电阻R、电感L和电容C是电路中的三大元件和参数,所有的电路都离不开这三个参数(至少有其一)。之所以是元件和参数,是因为R、L、C一方面表示了一种元件,如电阻元件,另一方面又表示了一个数,如电阻值。
在这里要特别声明的是,电路中的元件和实际中的实物元件是有区别的,所谓电路中的元件其实只是一种模型,这种模型能把实际元件的具有某一特性给表示出来,简单来说就是我们用一个符号来表示实际设备元件的某种特性,例如,电阻器、电炉、电热棒等在电路中可以用电阻元件作为其模型来表示。
但有些设备是不能仅用一个元件来表示的,例如电机的绕组,电机的绕组是线圈,显然,它可以用电感来表示,但绕组又存在电阻值,所以还要用电阻来表示这个阻值,依此,电机的绕组在电路中建模时,应该用电感和电阻的串联组合来表示才对。
电阻是最简单的,也是我们最熟悉的,根据欧姆定律,电阻R=U/I,即电阻等于电压除以电流。从单位的角度看,就是Ω=V/A,即欧姆等于伏特除以安培。在电路中,电阻表示了对电流的阻碍作用,电阻越大,对电流的阻碍作用越强……总之,电阻没什么好讲的,接下来,我们就来说说电感和电容。
一、电感和电容是什么?
我们从上文可以知道,类同于电阻,电感和电容也是一种元件或参数,但显然,它们的单位不再是欧姆。
首先是电感,电感用字母L来表示,单位是亨利[H],它表示了线圈产生磁场的能力,换言之,电感越大的线圈,在电流一样的情况下,所激发的磁场就越强。这就好比,电阻表示了电阻元件对电流的阻碍能力,电阻越大,在电压一定的情况下,电流越小。
其次是电容,电容用字母C来表示,单位的法拉[F],它表示了电容元件存储电荷(即储能)的能力,也就是说,电压相同的情况下,电容越大,它存储的能量就越多。
其实电感也表示了电感元件储能的能力,因为磁场越强,它所具有的能量就越大,磁场是具有能量的,因为这样,磁场才能对处于磁场中的磁铁产生力的作用,并对磁铁做功。
二、电感、电容和电阻有什么关系?
电感、电容本身和电阻没有什么关系,它们的单位都完全不一样,但在交流电路中就不一样了。
在直流电阻中,电感是相当于短路的,而电容相当于开路(断路)。但在交流电路中,电感和电容都会随着频率的变化而产生不同的阻值,此时的阻值不再叫做电阻,而是叫做电抗,用字母X表示,其中电感所产生的阻值称为感抗XL,电容所产生的阻值称为容抗XC。
感抗和容抗类似于电阻,它们的单位都是欧姆,所以它们也表示了电感和电容在电路中对电流的阻碍作用,但电阻不随频率变化,而感抗和容抗随频率变化,
至于为什么电感和电容在交流电路中会产生感抗和容抗,其本质在于电压、电流的变化,所引起的能量的变化。
对电感来说,电感在电流变化时,其磁场也随之变化(能量在变化),我们都知道,电磁感应中,感应磁场总是阻碍原磁场的变化,所以随之频率的增大,这种阻碍的作用越明显,也就是感抗在变大。
而电容在电压变化时,极板上的电荷量也随之变化,显然,电压变化越快,极板上电荷量的移动也就越快越多,电荷量的移动其实就是电流,简单来说就是,电压变化越快,流过电容的电流就越大,这意味着电容本身对电流的阻碍作用就越小,即容抗在减小。
综上,电感的感抗和频率成正比,而电容的容抗和频率成反比。
三、电感、电容的功率与电阻有哪些不同?
电阻不管是在直流电路中还是交流电路中,它都耗能的,电压和电流的变化始终同步,例如下图为电阻在交流电路中的电压、电流与功率曲线。从图中可以看到,电阻的功率一直大于或等于零,不会小于零,这意味着电阻一直在吸收电能。
在交流电路中,将电阻这种消耗的功率称为平均功率或有功功率,用大写字母P表示。所谓有功功率,只表示了元件的耗能特性,凡是某个元件有耗能,那么这个耗能就用有功功率P来表示其耗能的大小(或快慢)。
而电容和电感是不会耗能的,它们只储能和释能,其中电感以激发磁场的形式吸收电能,它将电能吸收并转换为磁场能,然后又将磁场能释放转换为电能,不断重复;同理,电容吸收电能并转换为电场能,又将电场能释放转换为电能。
电感和电容这种将电能吸收又释放的过程不消耗能量,显然不能用有功功率表示,基于此,物理学家们定义了一个新的名称,那就是无功功率,用大小字母Q表示。
不管是有功功率还是无功功率,都有功率两字,所谓“功率”,是指能量变化的快慢,其中有功功率表示了电阻消耗电能的快慢,例如100W的灯比50W的灯消耗电能的速度快一倍。
而无功功率表示了电感或电容能量交换得快慢,注意,这里说的是交换,这意味着,无功功率越大,电感或电容对电源的能量需求就越大,即使它只是用来交换。
以上,就是电感和电容的相关内容,你都看懂了吗?
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