R L C 的特性及其在直流電路中使用 圖一的右側為電路在通電與斷電的瞬間至穩(wěn)態(tài),回路中的電流及燈泡、線圈的電壓變化圖,從圖中可以看出,無論在通電或是斷電瞬間,由于電感的作用,回路中的電流都不突變,燈泡的電壓也不突變,可是線圈的電壓卻發(fā)生正負突變。為了更好的讓大家理解,下面我們結合電路的理論公式來進行分析與解釋: (a)、在接通電源的瞬間至穩(wěn)態(tài),回路的電流I、燈泡的電阻R及燈泡電壓U r、線圈的電壓Ue、電源電壓E之間的關系永遠滿足下式: E = Ur+ Ue.. .…( 1-1) 即電源電壓等于燈泡電壓加上線圈電壓之和。 Ur = I*R .……( 1-2) 即燈泡電壓等于回路電流乘以燈泡電阻 我們知道,通電前,燈泡與線圈的電流與電壓皆為0,即: I = 0 Ur = 0 Ue =0 通電瞬間,由于電感保持它通電前0電流的狀態(tài),即:I = 0,那么將I=0帶入(1-2)式。得:Ur = 0 ,再將Ur = 0 帶入(1-1)式,可得:Ue=E。圖中M點對地電壓為+E,即線圈M點產(chǎn)生一個對地正跳的突變電壓。 燈泡電阻R,它的電壓與電流的關系永遠符合歐姆定律,即:Ur=I*R,由于回路的電流不突變(=0),所以燈泡的電壓也不突變(=0)。這樣,電源E的正極是瞬間加在線圈的上端M點上,使線圈M點產(chǎn)生對地正突變的電壓。隨著I逐漸變大,R的電壓Ur也逐漸變大,根據(jù)公式(1-1)可知:Ue將隨著Ur變大而逐漸小,直至為0(即進入穩(wěn)態(tài))。穩(wěn)態(tài)后,由于I不再變化,電感阻止電流變化的作用消失,電感的電阻=0,故Ue=0,將它帶入( 1-1)式,可得:Ur =E, 再將Ur =E帶入(1-2)式,可得:I = E / R。 (b)、在斷電瞬間至穩(wěn)態(tài),負載L R被短路,形成L 和R的并聯(lián),此時的電路的電壓與電流的關系式是:U r=I*R=Ue。由于L保持它斷電前的電流值,即:I = E / R,電流的方向仍然是從表左流向表右(圖中的N?Q),燈泡電阻的電壓Ur從數(shù)字上= I*R=(E / R)*R =E,但此時,由于電流表的左側N接地,電流由地通過表A流入燈泡R,使R兩端產(chǎn)生一個Q點電位高于M點電位的電壓,由于N點接地,故M點對地電壓 = -E,這突加在線圈M點的-E,造成了線圈M點產(chǎn)生一個對地負突跳的電壓。由于電壓表V1的正極接在Q點上,此時流過R 的電流值及電流方向沒變,故V1指示沒變。而V2表的正極接在M點上,此時M點的電位為負,故V2表產(chǎn)生一個反向的突跳指示。 電感的這種對電流變化起阻尼的過程,也是電感的儲能與釋放能量的過程,在流過它的電流增加時,它通過儲存電能量來阻止電流增加,當流過的電流減小時,它是通過釋放儲存的能量來阻止電流減小。所以,電感又是儲能元件。 3、C(電容),在電路發(fā)生突變瞬間,電容C中的電流隨外邊的條件變化而變化,而它兩端的電壓卻保持它在變換前的值,然后才慢慢的變化,直到穩(wěn)態(tài)。這變化過程的快慢取決于它的電容值和與它串聯(lián)的電阻的大小,我們稱它為電路的電壓惰性元件。 見圖二: 該電路是由燈泡R、電容器C,電源E及開關組成,圖示狀態(tài)為原始穩(wěn)態(tài),即:回路電流I=0,燈泡電壓Ur=0,電容C的電壓Uc=0. (a)、當接通電源的瞬間起直到穩(wěn)態(tài)過程中,其回路電流I,燈泡和電容上的電壓Ur和Uc的關系,始終滿足下列公式: E = Ur+Uc …….( 1-3) 電源電壓E等于燈泡電壓Ur與電容電壓Uc之和。 Ur = I * R .…….( 1-4) 燈泡電壓等于回路電流I乘以燈泡電阻R。 在接通電源的瞬間,由于C要保持通電前的0電壓狀態(tài),即:Uc=0。將它代入(1-3)式,可得:Ur = E 。再據(jù)(1-4)式,可知:I = E / R 。 就是說,通電瞬間,電容C 上的電壓=0,電源電壓全部加在燈泡上,使燈泡上產(chǎn)生突變的電壓,回路產(chǎn)生突變的電流。隨著電流對C的充電,C上的電壓逐漸變大直至Uc =E到達穩(wěn)態(tài)。在這個過程中,由(1-3)式可知:燈泡電壓Ur隨著Uc的變大而變小,直至為0,由(1-4)式可知:回路電流I將隨Ur的減小而減小。請見圖二右側的U-t與I-t圖(前半部分)。 (b)、在斷開電源且把負載短路起直至穩(wěn)定狀態(tài)的過程,由于開關將圖中的N點接地,造成了燈泡R與電容C的并聯(lián),此時電路中的U、I 之間的關系應滿足下式:Uc = Ur=I*R…….( 1-5) 在斷開電源且負載短路的瞬間,由于C要保持它斷電前的電壓狀態(tài),即Uc=+E。此時:I = Uc / R,由于Uc的上端M點對地電位為正,流向燈泡的電流方向為由M?Q,顯然與通電時的電流方向相反,故瞬間形成一個負突跳的電流,燈泡兩端也形成一個負突跳的電壓,隨著C對R的放電,其儲能逐漸減小。使回路中的I 逐漸變小,直至到0,燈泡與電容上的電壓也隨之減小到0。請見圖二右側的U-t與I-t圖(后半部分)。 到此,我們用通俗易懂的語言介紹完了R、L、C的電路特性,希望大家要牢記它們的特性: 1、電阻是一個無儲能的無記憶的勤快元件,當所在電路發(fā)生變化時,對變化前自己的狀態(tài)(I、U)無任何記憶和保留,它總是隨外界的變化而變化。 2、電感是一個儲能的有記憶的的惰性元件,當電路發(fā)生變化時,對變化前自己的電流值有記憶且予于保持,用儲能或釋放能量來阻止電流的變化。 3、電容是一個儲能的有記憶的的惰性元件,當電路發(fā)生變化時,對變化前自己的電壓值有記憶且予于保持,用儲能或釋放能量來阻止電壓的變化。 二、R、L、C 在電路中的使用 (一)、在只有電阻R的電路里,R的選用及參數(shù)的計算 在只有電阻R的電路里,R可以以串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入電路,當兩個或更多個R串聯(lián)時,它們的等效電阻Rz(即對外相當一個電阻)值,等于它們各個電阻值之和,即: Rz = R1+R2+…. …….( 2 |
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