电阻、电容、电感的区别
电容、电感与电阻的区别,很多老师和同学都是不熟悉的,甚至在交流电路中,有很多人还将它们的作用混为一谈,都按电阻的作用来进行分析,从而造成了很多低级错误,笔者在此略作一个辨析,以供大家参考。
一、对电流影响的本质不同
1、电阻
导体电阻对电流的阻碍作用,实际上是自由电荷与导体中其余部分的碰撞(比如金属导体中自由电子和金属阳离子的碰撞),使自由电荷的定向移动能量损失,转化为其余部分热运动动能的过程,有序的定向移动向无序的热运动的转化,即电能向内能的转化,这种无序的热运动不能完全自发的转化为有序的自由电荷定向移动,也就是说,这种能量转化具有方向性。
2、电容
在不稳定电路中,当与电容器并联的其余部分两端电压高于电容器两极板间电压时,就会在其余部分和电容器之间形成充电电流,电容器被充电,定向移动的电荷被转移到电容器极板上,在两板间形成电场,将电路中的电能转化为储存于两板间的电场能,能量还是有序的。
当与电容器并联的其余部分两端电压低于电容器两极板间电压时,就会在电容器和其余部分之间形成放电电流,电容器被充电,电荷从电容器极板上转移到电路中发生定向移动,将储存于两板间的电场能转化为电路中的电能。
从上述分析可以看出来,如果不考虑电磁辐射的话,电容器充放电,实际上是两种有序运动的相互转化。
3、电感
在不稳定电路中,当与电感器(线圈)串联的电路中电流增加时,电流形成的磁场增强导致电感器中磁通量增大,进而引起自感电动势阻碍电流的增加,这一过程,电路中传来的电能转化为电感器中的磁场能;反过来,当与电感器(线圈)串联的电路中电流减小时,电流形成的磁场减弱导致电感器中磁通量减小,进而引起自感电动势阻碍电流的减弱,这一过程,电感器中的磁场能转化为电路中的电能。
从上述分析可以看出来,如果不考虑电磁辐射的话,电感器的自感现象,实际上也是两种有序运动的相互转化。
二、对电流影响的表现不同
1、暂态电路中
(1)电阻:阻碍电流R U I =
(2)电容:
①充电过程:阻碍电流R U U I C -=,可以将此式变形为R U R U I C -=,其中R U 可以看作是电路中的电压产生的正向电流,R
U C 可以看作是电容器电压产生的反向电流,电路中的电流是这两个电流的和。
②稳定过程:相当于断路,阻止电流。
③放电过程:充当电源C U I R
=,提供电压,使电路中形成电流。
(3)电感:①电流增强:阻碍电流增加U E I R -=
自,可以将此式变形为E U I R R =-自,其中R U 可以看作是电路中的电压产生的正向电流,E R 自
可以看作是电感器自感电动势产生的反向电流,电路中的电流是这两个电
流的和。
②稳定过程:相当于导线,导通电流。
③电流减弱:充当电源E I R =自
,提供电压,使电路中形成电流。
2、交流电路中
(1)电阻:电阻U l R I S ρ==不随交流频率变化,通过的电流与加在两端的电压相位相同,由cos P IU ϕ=、0ϕ=可知,电阻的功率可以直接用P IU =计算。
(2)电容:容抗12πC U X I fC
==随交流频率增大而减小(电流变化越快,充放电越容易进行),且“通过”(充放电)的电流与加在两板间的电压相位相差π2ϕ=(充放电电流()q C u u i C t t t ∆∆∆∆===∆∆∆,即电流i 正比于电压u 随时间的导数,若m sin u U t ω=,则m m πcos sin()2
C U i I t t X ωω==+),由cos P IU ϕ=可知,电容器的功率为零,即电容器不消耗电能——其实质是充电时电能转化为两板间电场能储存起来,放电时电场能又回到电路中转化为电能。
(3)电感:感抗2πL U X fL I =
=随交流频率增大而增大(电流变化越快,自感现象越明显),且通过的电流与电感器两端的电压(即自感电动势)相位相差π2ϕ=-(电感器两端电压i u e L t ∆==∆自,则电压u 正比于电流i 随时间的导数,若m sin u U t ω=,则m m πcos sin()2C U i I t t X ωω=-=-),由cos P IU ϕ=可知,电感器的功率为零,即电感器不消耗电能——其实质是电流增强时电能转化为电感器中的磁场能储存起来,电流减弱时磁场能又回到电路中转化为电能。
(4)两个相关问题
①变压器的空载电流
变压器副线圈不接负载时,变压器原线圈就是一个纯电感,因此,加在原线圈两端的电压与原线圈中的电流相位相差π2
ϕ=-,因此,原线圈输入功率实际上是零,副线圈也没有输出功率,这是符合能量守恒定律的。
另外,理想变压器的线圈自感系数L 趋于无穷大,因此,尽管变压器空载时原线圈中有电流,但是这个空载电流却趋近于零0L U I X =
→空。
②交流电路中元件的串并联后的总阻抗、总电压、总电流
电阻和电容串联,通过两个元件电流相位相同,但是电压相位却不同,例如m sin i I t ω=,则m sin R u I R t ω=、m πsin()2C C u I X t ω=-
,则两元件的总电压)R C u u u I t ωθ=+=-,其中tan C X R
θ=
,也就是说,两元件的串联阻抗并不等于两元件阻抗之和,而是Z =,两元件
的总电压有效值也不是两元件电压有效值之和,而是U =总。
同样的,电阻与电感串联时,总
阻抗Z =
U =总,也都不是两个元件的阻抗、电压之和。
电阻与电容并联时,两元件的电压相位相同,但是电流的相位却不同,
两元件的总电流I =
,显然总电流也不等于两个元件电流之和,而总阻抗Z
与两元件阻抗关系为
1Z =
并联时,也有类似的关系I =
1Z =。
【例1】如图所示,电路中A 、B 是两个完全相同的灯泡,L 是一个自感系数很大、电阻可忽略的自感线圈,C 是电容很大的电容器。
当S 刚闭合与闭合之后,A 、B 灯泡的发光情况是()
A .S 刚闭合后,A 亮一下又逐渐熄灭,
B 逐渐变亮B .S 刚闭合后,B 亮一下又逐渐变暗,A 逐渐变亮
C .S 闭合足够长时间后,A 和B 一样亮
D .S 闭合足够长时间后,A 、B 都熄灭
[解析]S 刚闭合时,电容器带电量为0,两板间电压为0,相当于导线,B 灯被短路;同时,线圈中的电流只能从原来的值0逐渐增加,S 刚闭合时相当于断路;稳定时,电容器是断路,线圈相当于导线,A 灯被短路。
因此,S 刚闭合后,A 亮一下又逐渐熄灭,B 逐渐变亮,稳定时B 灯亮,A 灯熄灭,本题答案选A 。
如果电路稳定后,再断开开关,则电容器相当于电源,只给B 供电,供电电压从原来的值U B 逐渐减小,故B 灯逐渐熄灭;线圈也相当于电源,只给A 供电,供电电流从原来的值I B 逐渐减小,因此A 灯突然变亮,然后逐渐熄灭。
【例2】(衡水中学2013届八模)如图甲所示,理想变压器原线圈通有正弦式交变电流,副线圈接有3个电阻和一个电容器.已知R 1=R 3=20Ω,R 2=40Ω,原、副线圈的匝数比为10:1,原线圈的输入功率为P =35W ,已知通过R 1的正弦交流电如图乙所示,则R 2的电
功率及流过电容器C 的电流分别为()
A .20W 1.75A
B .20W 0.25A
C .10W 0.25A
D .10W 0.50A
[解析]通过R 1的电流为I 1=1A ,所以R 1、R 2两端的电压为U =20V ,所以通过R 2的电流为I 2=0.50A ,因此R 1、R 2的电功率为120W P =、210W P =;变压器输入功率即输出功率,C P P P P
P +++=321,其中0=C P ,则有W 53=P ,由3233R I P =,可以算出流过电容器C 的电流I 3=0.50A 。
本题正确答案是D.
[易错提醒]本题容易错选C 。
错误的做法是,由IU P =可得副线圈输出电流为A 75.1==U
P I ,则流过电容器C 的电流为I 3=I -I 1-I 2=0.25A 。
显然,这样错的原因是不知道电容器会导致电流电压出现相位差,因此副线圈的输出功率绝不可以用IU P =计算,而且,这样做说明也不知道I 3与I 1、I 2存在相位差时,副线圈的总电流并不等于I 3与I 1、I 2之和,以至于连续犯错。