5.2认识单一元件的正弦交流电路(课件）-高二《电工技术基础与技能》同步教学（电子工业版）

任务三　认识单一元件的正弦交流电路 　 　 /// /// 任务分析 任务二在讨论直流电时，学习了电阻的电路，对于交流信号，电阻、电容和电感的表现与在直流电路中的特性相同吗？下面将对电阻、电容和电感单一元件的正弦交流电路进行分析。 相关知识 一、纯电阻电路 在交流电路中常常遇到白炽灯、电阻炉、电烙铁等电阻负载，电阻负载在电路中起主要作用，而电感、电容对电路的影响很小，可以忽略，这种电路称为纯电阻电路。纯电阻电路是最简单的交流电路，由交流电源和纯电阻元件组成，如图5-11所示。　 　 　 /// /// 1．电流与电压的关系 我们知道，在交流电路中，电压和电流的方向是不断变化的，为了分析方便，假定电压和电流的正方向如图5-11（b）所示，并且假定电流的初相位为0，即以电流作为参考，则通过R的瞬时电流 为 （a）吊顶灯（纯电阻）　　　　　　　　　　（b）吊顶灯电路 图5-11　纯电阻电路 　 　 /// /// 电阻两端的瞬时电压uR为 图5-12　纯电阻电路中电流与电压的波形图 根据上述两式作出纯电阻电路中电流与电压的波形图，如图5-12所示。 由解析式和波形图可以看出，在纯电阻电路中，通过电阻的瞬时电流和加在电阻两端的瞬时电压具有相同的频率和相位，且电流与电压的有效值、瞬时值及相量都满足欧姆定律。 2．纯电阻电路的功率 在纯电阻交流电路中，由于电压和电流随时间按正弦规律变化，电阻R上每一瞬间所消耗的功率p称为瞬时功率，其值等于瞬时电压u和瞬时电流i的乘积，即 　　　　　　（5-9） 　 　 /// /// 以电流为参考正弦量，即 则R两端电压uR为 代入式（5-9）中，即 在纯电阻电路中，由于电流、电压同相，所以，瞬时功率p≥0，其最大值是 ，最小值是零。这表明电阻总是消耗功率，把电能转化为热能，这种能量转化是不可逆转的。所以，电阻是一种耗能元件。 由于瞬时功率是随时间变化的，测量和计算都不方便，所以，在实际工作中常用平均功率来表示，瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率，又称有功功率，用大写字母P表示。这样，纯电阻电路的平均功率为 P = UI　　 　　　　　　　　　　　　 （5-11） 根据欧姆定律得 　 　 /// /// 平均功率还可以表示为 　　　　　　　　　　（5-12） 式中　U—R两端电压的有效值，单位是伏特，符号为V； 　　　I—流过电阻的电流有效值，单位是安培，符号为A； 　　　P—电阻消耗的功率，单位是瓦特，符号为W。P又称有功功率，也用千瓦（kW）表示。 平时所说的40W灯泡、30W电烙铁等中的瓦数通常指其有功功率的数值。 通过以上讨论，可以得到如下结论： （1）纯电阻交流电路中的电流和电压具有相同相位、相同频率。 （2）电流和电压在数值关系上，最大值、有效值和瞬时值均满足欧姆定律。 （3）电阻是耗能元件，电阻的平均功率（有功功率）等于电流有效值与电阻两端电压有效值的乘积。 【例5-1】某个标有“220V，20W”的灯泡，加在灯泡两端的电压为 （V），试求出： （1）该灯泡两端电压的有效值；（2）流过该灯泡的电流瞬时值；（3）灯泡的电阻值。 　 　 /// /// 二、纯电容电路 纯电容电路是只有电容器作为负载，而且电容器的漏电电阻和分布电感均忽略不计的交流电路，如图5-14所示。 1．电容器对交流电流的阻碍作用 通过图5-15所示的实验来研究电容器对交流电流的阻碍作用。按图5-14连接电路，首先保证电压不变，逐渐增加低频信号发生器的频率，观察交流电流表读数的变化。通过实验发现，随着电源频率的增加，电流随之增大，这说明随着频率的增加，电容器对交流电流的阻碍减小了。 【例5-2】已知某纯电阻电路中 ，试指出它的角频率、周期、幅值、有效值和初相，并画出波形图。 图5-14 纯电容电路 　 　 /// /// 将电容对交流电的阻碍作用称为容抗，用XC表示。电容的容抗表示电容对通过自身的交变电流的反抗作用，它只有在正弦交流电路中才有意义。 理论和实验证明：容抗XC的大小和电源频率成反比，与电容的容量成反比。 2．电流、电压间的相位关系 图5-15所示的实验能够帮助我们研究纯电容电路中电流与电压的相位关系。按图5-15连接好电路，图中超低频信号发生器的频率在1Hz左右。当开关S闭合以后，仔细观察电流表、电压表的指针摆动情况，从中可以看到：电流超前电压 。 设电容器两端的电压为 则电路中的电流为 图5-15　纯电容实验电路 　 　 /// /// 图5-16　纯电容电路电流、电压的波形图 3．电流、电压间的数量关系 纯电容交流电路的电流与电