電工學(xué)中經(jīng)常見到電阻、感抗、容抗和阻抗這幾個物理量,同時也經(jīng)常見到說這個電路呈阻性、感性和容性,在特殊情況下電路還會呈現(xiàn)諧振狀態(tài)。下面我們就來分析比較一下這幾個物理量的區(qū)別和聯(lián)系,以及把它們組合成電路后,電路將會呈現(xiàn)的性質(zhì)。 電阻: 導(dǎo)體對電流的阻礙作用就是電阻。阻礙作用越大,我們就說這個導(dǎo)體的電阻越大,阻礙作用越小,我們就說這個導(dǎo)體的電阻越小。任何物質(zhì)都具有電阻,只是電阻的大小不同,阻礙電流的能力不同而已,絕緣體阻礙電流的能力最強,因此我們用絕緣體來隔絕導(dǎo)體,起到保護觸電的作用,而超導(dǎo)體的電阻幾乎為零。 電阻通常用字母R來表示。電阻是導(dǎo)體本身的一種特性,它的大小只跟自身因素有關(guān)系,與外部因素沒有關(guān)系,或者說一個電阻做好以后,它的阻值就已經(jīng)固定下來了,不會隨外界因素的影響而改變,這就是電阻定律,用公式表示如下: R=ρL/S ρ——制成電阻的材料電阻率,國際單位為歐姆 · 米(Ω · m) ; L——繞制成電阻的導(dǎo)線長度,國際單位為米(m); S——繞制成電阻的導(dǎo)線橫截面積,國際單位為平方米(m2) ; R——電阻值,國際單位為歐姆,簡稱歐(Ω)。 電阻在交流電路和直流電路中的阻值都是一樣的,不會隨電源頻率的變化而變化。 感抗: 在交流電路中,電感線圈對電流的阻礙作用就是感抗。感抗的大小用公式表示如下: XL= ωL = 2πfL XL 就是感抗,國際單位為歐姆 (Ω); ω 是交流電的角頻率,國際單位為弧度/秒(rad/s); f 是交流電的頻率,國際單位為赫茲(Hz) ; L 是電感線圈的電感量,國際單位為亨利(H)。 顯然,感抗的大小不僅與自身因素(L)有關(guān)系,還與外部施加的交流電的角頻率(ω)或頻率(f)有關(guān)系。 電感線圈的電感量L越大則感抗XL越大。 交流電的角頻率ω或頻率f越高,感抗XL也相應(yīng)變大,這就是電感線圈具有通低頻阻高頻的特性。 直流電的頻率我們可以認為為零,因此感抗也為零,對直流電沒有阻礙作用,這就是電感線圈具有通直流阻交流的特性。 容抗: 在交流電路中,電容器對電流的阻礙作用就是容抗。容抗的大小用公式表示如下: XC= 1/(ωC) = 1/(2πfC) XC 就是容抗,國際單位為歐姆 (Ω); ω 是交流電的角頻率,國際單位為弧度/秒(rad/s); f 是交流電的頻率,國際單位為赫茲(Hz) ; C是電容器的電容量,國際單位為法拉(F)。 顯然,容抗的大小不僅與自身因素(C)有關(guān)系,還與外部施加的交流電的角頻率(ω)或頻率(f)有關(guān)系。 電容器的電容量C越大則容抗XC越小。 交流電的角頻率ω或頻率f越高,容抗XC越小,對交流電的阻礙作用越小,這就是電容器具有通高頻阻低頻的特性。 直流電的頻率我們可以認為為零,因此容抗為無窮大,對直流電的阻礙作用也是無窮大,這就是電容器具有隔直流通交流的特性。 阻抗: 具有電阻、電感和電容的電路里,對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用 Z 表示,阻抗的國際單位是歐姆(Ω)。 阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成,但不是三者簡單相加。對于一個具體電路,阻抗不是不變的,而是隨著頻率變化而變化。 下面分別介紹電阻、電感和電容組成的串聯(lián)和并聯(lián)電路,其阻抗的大小以及電路的性質(zhì)。 RLC串聯(lián)電路: ![]() RLC串聯(lián)電路 電路如上圖所示。 由于R、L和C是串聯(lián)關(guān)系,因此流過R、L和C的電流相同都是i。 阻抗、電壓和功率的關(guān)系如下圖所示的三角形。 ![]() 阻抗、電壓和功率三角形 其中,Z是RLC串聯(lián)后的總阻抗,XLC=XL-XC,是感抗和容抗合成后的電抗;U是RLC串聯(lián)后的總電壓,ULC=UL-UC,是電感上的電壓和電容上的電壓合成后的電壓;S是RLC串聯(lián)電路的視在功率,國際單位為伏安(VA),QLC=QL-QC是電感上的無功功率QL與電容上的無功功率QC合成后的無功功率,無功功率的國際單位為乏(var);P是有功功率,國際單位為瓦特(W)。 Z/U/S與R/UR/P的夾角?就是功率因數(shù)角。 當(dāng)XLC=XL-XC>0,或者說感抗XL大于容抗XC時,電感分到的電壓大于電容分到的電壓,電路呈電感性,感性電路三角形如下圖所示: ![]() 感性電路三角形 當(dāng)XLC=XL-XC<0,或者說感抗XL小于于容抗XC時,電容分到的電壓大于電感分到的電壓,電路呈電容性,容性電路三角形如下圖所示: ![]() 容性電路三角形 當(dāng)XLC=XL-XC=0,或者說感抗XL等于容抗XC時,電路呈電阻性,電路發(fā)生串聯(lián)諧振,此時總阻抗Z=R,為RLC串聯(lián)電路阻抗最小的狀態(tài)。利用這點,在電子電路中,用RLC串聯(lián)來做某個頻率的陷波器,即在某個頻率附近,陷波器對該頻率的阻抗最小,進而旁路掉該頻率附近的信號。 陷波器的特性曲線如下圖所示,當(dāng)f=f0時,發(fā)生串聯(lián)諧振,Z=R,阻抗最小。 ![]() 陷波器特性曲線 RLC并聯(lián)電路: ![]() RLC并聯(lián)電路 電路如上圖所示。 由于R、L和C是并聯(lián)關(guān)系,因此加在R、L和C的電壓相同都是u。 阻抗、電流和功率的關(guān)系如下圖所示的三角形。 ![]() 阻抗、電流和功率三角形 其中,Z是RLC并聯(lián)后的總阻抗,1/XLC=1/XL-1/XC;I是RLC并聯(lián)電路的總電流,ILC=IL-IC,是流過電感上的電流和流過電容上的電流合成后的電流;S是RLC并聯(lián)電路的視在功率,國際單位為伏安(VA),QLC=QL-QC是電感上的無功功率QL與電容上的無功功率QC合成后的無功功率,無功功率的國際單位為乏(var);P是有功功率,國際單位為瓦特(W)。 (1/Z)/I/S與(1/R)/IR/P的夾角?就是功率因數(shù)角。 當(dāng)1/XLC=1/XL-1/XC>0,或者說容抗XC大于感抗XL時,流過電感的電流大于流過電容的電流,電路呈電感性,感性電路三角形如下圖所示: ![]() 感性電路三角形 當(dāng)1/XLC=1/XL-1/XC<0,或者說感抗XL大于容抗XC時,流過電容的電流大于流過電感的電流,電路呈電容性,容性電路三角形如下圖所示: ![]() 容性電路三角形 當(dāng)XLC=XL-XC=0,或者說感抗XL等于容抗XC時,電路呈電阻性,電路發(fā)生并聯(lián)諧振,此時總阻抗Z=R,為RLC并聯(lián)電路阻抗最大的狀態(tài)。利用這點,在電子電路中,用RLC并聯(lián)來做某個頻率的選頻器,即在某個頻率附近,選頻器對該頻率的阻抗最大,對該頻率附近的信號的選擇性最好。 選頻器的特性曲線如下圖所示,當(dāng)f=f0時,發(fā)生并聯(lián)諧振,增益最大。 ![]() 選頻器特性曲線 |
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