電感與電容作為儲能元件和動態(tài)元件,在工程技術中的應用非常廣泛,如在電子電路中的濾波、諧振,在電力系統(tǒng)中的補償、功率傳輸等。
當然,實際上的電感線圈和電容器多多少少都會有損耗,即存在電阻,例如電動機線圈的電阻有幾歐到幾十歐不等,電容的電阻相對較小。
總的來說,電感和電容在直流電路中的應用相對較少,例如電感線圈可以用于電磁鐵的勵磁,電容器可以用于隔直或儲能。它們更多的是應用于交流電路。
那么,電感和電容在交流電路中又有著怎樣的表現呢?答案就讓我來給大家揭曉吧!
一、正弦交流電路
所謂交流電路,是指電路中的電壓和電流隨時間作周期性變化的電路,如下圖1-2所示。而上文所提及的交流電路,都是指的正弦交流電路。正弦交流電路的電壓和電流隨時間做正弦規(guī)律變化。這里的“正弦規(guī)律”可以是正弦函數,也可以是余弦函數,這是因為正弦函數和余弦函數的變化規(guī)律相同,它們兩者間的區(qū)別僅在于相角差。另外,正弦交流電路也是我們日常生活工作中所接觸的電路。
顯然,正弦交流電路中電壓、電流的大小和方向都隨時間變化,而在電路中,往往需要標定兩者的方向,所以這里就涉及到了參考方向和實際方向的問題。如圖1-3所示,假定交流電壓源的電壓參考方向為上正下負,電流的參考方向為從左到右。
結合電壓電流波形,當電壓、電流波形為正半周時,表明其實際方向和參考方向一致;當波形處于負半周時,表明電壓和電流實際方向和參考方向相反,圖1-3中的藍色圖形為實際方向,黑色為參考方向。
大概了解正弦交流電路后,我們進入這次分享的主要內容。
二、交流電路中的電感和電容
對于電阻而言,流過電阻的電流與電阻兩端的電壓同步變化,所以不管是大小還是方向,都保持一致的趨勢,如圖1-4所示。換言之,其電壓和電流之間之間的區(qū)別僅在于一個比例系數,這個比例系數就是電阻值。
但電感和電容比較特別,它們兩者的電壓和電流都不是同步變化的,而是有一個相位差。所謂相位差,可以理解為電壓和電流的變化趨勢差,例如在電感元件中,當電流在計時零點的值為零,且隨時間變大時,電壓在計時零點的值卻為最大值,且隨時間變小,如下圖1-5所示。
圖1-5所示的電感電壓電流波形圖,表示了電感的電壓超前電流90°,因為撇開時間,僅從波形圖來看,兩個波形的零點(都是正斜率或負斜率)間最小角度為90°。為什么電感的電壓和電流不同步呢?這是因為電感的電壓和電流不是正比例關系,而是成微分關系,所以不像電阻那樣簡單。
類似的,電容的電壓和電流也有一個相位差。但區(qū)別于電感,在電容元件中,當電流在計時零點的值為零,且隨時間變大時,電壓在計時零點的值卻為最小值(負值),且隨時間變大,如下圖1-6所示。
電容的電壓與電流存在相位差的原因與電感一樣,都是因為其電壓和電流不是正比例關系,但電容的電壓與電流成積分關系,所以電感和電容兩種的電壓電流關系也有區(qū)別。為了讓大家能夠直觀看出這個區(qū)別,我們以電感和電容的串并聯(lián)電路為例。
1、電感和電容串聯(lián)時的電壓電流關系
如圖1-7所示,電感和電容串聯(lián),所以它們流過同一個電流。但它們不會因為串聯(lián)而導致各自電壓電流關系變化,所以依然是如圖1-5和圖1-6所示的關系。顯然,基于同一電流的情況下,電感的電壓和電容的電壓處于反相關系。
簡單來說,就是在LC串聯(lián)的正弦交流電路中,任一時刻,電感電壓和電容電壓方向相反,如圖1-8所示。另外,大家可以舉一反三,思考一下,是否存在電感電壓與電容電壓方向相反、大小相等的情況呢?
顯然是存在的,且當電感電壓和電容電壓大小相等、方向相反時,電感電容的串聯(lián)組合對外就相當于短路,因為其組合兩端的電位相等,大家可以自行賦值舉例進行理解。就好比拿兩個電壓相等的干電池以正極接正極的方式串聯(lián),對外沒有電壓。LC串聯(lián)電壓反相,那并聯(lián)會怎樣呢?我們接著往下看。
2、電感和電容并聯(lián)時的電壓電流關系
電感和電容并聯(lián),所以它們承受同一個電壓。同樣的,它們并不會因為并聯(lián)而導致各自電壓電流關系變化,所以依然是如圖1-5和圖1-6所示的關系。顯然,基于同一電壓的情況下,電感的電流和電容的電流處于反相關系,如圖1-8所示。
簡單來說,就是在LC并聯(lián)的正弦交流電路中,任一時刻,電感電流和電容電流方向相反,如圖1-10所示。另外,大家仍然可以舉一反三,思考一下,是否存在電感電流與電容電流方向相反、大小相等的情況呢?
顯然也是存在的,且當電感電流和電容電流大小相等、方向相反時,電感電容的并聯(lián)組合對外就相當于開路,因為它們的電流和為零,對外沒有電流。為了便于理解,大家可以自行賦值舉例,在此我就不再過多闡述。就好比拿兩個電壓相等的干電池以首尾相連的方式并聯(lián),對外沒有電流。
綜上所述,當電感和電容串聯(lián)時,兩者電流相等,電壓反相,若電壓大小相等,其串聯(lián)組合就相當于短路,這也叫電感和電容的串聯(lián)諧振;當電感和電容并聯(lián)時,兩者電壓相等,電流反相,若電流大小相等,其并聯(lián)組合就相當于開路,這也叫電感和電容的并聯(lián)諧振。關于諧振的更多內容,基于其內容較為復雜,在此我也不再展開講解。
至此,這次的分享就到這里,感謝大家的閱讀。
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