第五章　單相交流電路

§5-1交流電的基本概念§5-2電容器和電感器§5-3單一參數(shù)交流電路§5-4RLC串聯(lián)電路§5-5RLC并聯(lián)電路1.?了解正弦交流電的產(chǎn)生和特點。2.?理解正弦交流電的有效值、頻率、初相位及相位差的概念。3.?掌握正弦交流電的三種表示方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-1交流電的基本概念大多數(shù)家用電器，如電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器等，都是使用220V/50Hz交流電源的；還有一些設(shè)備，如手機(jī)、電動車，雖然要由直流電源供電，但它們的充電器也都是將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹绷麟?；而電視機(jī)、計算機(jī)、音響設(shè)備等則是將直流電源作為整機(jī)電路的一部分，接通220V交流電后，便可自行將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰闹绷麟姟＝涣麟姷膽?yīng)用一、交流電的概念流電與直流電的根本區(qū)別是：直流電的方向不隨時間的變化而變化，交流電的方向則隨時間的變化而變化。電源只有一個交變電動勢的交流電稱為單相交流電。直流電和交流電波形a）穩(wěn)恒直流電b）正弦交流電c）電視機(jī)顯像管的鋸齒波電流d）計算機(jī)中的方波信號二、正弦交流電的產(chǎn)生交流電可以由交流發(fā)電機(jī)提供，也可由振蕩器產(chǎn)生。交流發(fā)電機(jī)主要是提供電能，振蕩器主要是產(chǎn)生各種交流信號。實驗用簡易交流發(fā)電機(jī)a）實物模型b）原理示意圖c）線圈截面圖所以整個線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為2Blv為感應(yīng)電動勢的最大值，設(shè)為Em，則上式為正弦交流電動勢的瞬時值表達(dá)式，也稱解析式。若從線圈平面與中性面成一夾角

時開始計時，則公式變?yōu)檎医涣麟妷骸㈦娏鞯缺磉_(dá)式與此相似。正弦交流電的產(chǎn)生三、表征正弦交流電的物理量1.?周期、頻率和角頻率正弦交流電波形（1）周期正弦交流電每重復(fù)變化一次所需的時間稱為周期，用符號T表示，單位是秒（s）。上圖所示交流電的周期為0.02s。（2）頻率正弦交流電在1s內(nèi)重復(fù)變化的次數(shù)稱為頻率，用符號f表示，單位是赫茲（Hz）。（3）角頻率正弦交流電每秒內(nèi)變化的電角度（每重復(fù)變化一次所對應(yīng)的電角度為2π，即360°）稱為角頻率，用符號ω表示，單位是弧度每秒（rad/s）。2.?最大值、有效值和平均值（1）最大值正弦交流電在一個周期所能達(dá)到的最大瞬時值稱為正弦交流電的最大值（又稱峰值、幅值）。最大值用大寫字母加下標(biāo)m表示，如Em、Um、Im。交流電的最大值和峰-峰值（2）有效值交流電的大小是隨時間變化的。穩(wěn)恒直流電的數(shù)值就稱為該交流電的有效值。交流電的有效值（3）平均值規(guī)定半個周期的平均值為正弦交流電的平均值。正弦交流量的平均值用半個周期的平均值表示3.?相位與相位差（1）相位在式e=Emsin（ωt+

）中，（ωt+

）表示正弦量隨時間變化的電角度，稱為相位角，也稱相位或相角，它反映了交流電變化的進(jìn)程。式中

為正弦量在t=0時的相位，稱為初相位，也稱初相角或初相。交流電的初相可以為正，也可以為負(fù)。若t=0時正弦量的瞬時值為正，則初相為正；若t=0時正弦量的瞬時值為負(fù)，則初相為負(fù)。相位的正負(fù)a）初相為正b）初相為負(fù)（2）相位差兩個同頻率交流電的相位之差稱為相位差，用符號

表示，即兩個同頻率交流電的相位關(guān)系a）超前和滯后b）同相c）反相d）正交正弦交流電的最大值反映了正弦交流電的變化范圍，角頻率反映了正弦交流電的變化快慢，初相位反映了正弦交流電的起始狀態(tài)。它們是表征正弦交流電的三個重要物理量。知道了這三個量就可以唯一確定一個交流電，寫出其瞬時值的表達(dá)式，因此常把最大值、角頻率和初相位稱為正弦交流電的三要素。四、正弦交流電的相量圖表示法和波形圖、解析式一樣，相量圖也是正弦量的一種表示方法。其畫法是：（1）確定參考方向，一般以直角坐標(biāo)系X軸正方向為參考方向。（2）作一有向線段，其長度對應(yīng)正弦量的有效值，與參考方向的夾角為正弦量的初相。1.?了解電容器的結(jié)構(gòu)和類型，理解容抗的概念，掌握電容“隔直流，通交流，阻低頻，通高頻”的特性。2.?了解電感器的結(jié)構(gòu)和類型，理解感抗的概念，掌握電感“通直流，阻交流，通低頻，阻高頻”的特性。3.?能正確使用萬用表大致判斷電容器和電感器的好壞。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-2電容器和電感器電容器通常簡稱電容，電感器通常簡稱電感，它們都是儲能元件，在電工和電子技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，而且經(jīng)常一起配合使用。一、電容器1.?電容器的結(jié)構(gòu)、類型和符號電容器的基本結(jié)構(gòu)紙介電容器電容器的外形和符號電容器的外形和符號2.電容器的主要參數(shù)（1）電容量電容量是指電容器儲存電荷的能力，也簡稱電容，如圖所示，它在數(shù)值上等于電容器在單位電壓作用下所儲存的電荷量，即電容的單位是法拉（F），常用較小的單位有微法（μF）和皮法（pF）。電容量定義示意圖（2）額定電壓電容器的額定電壓（也稱耐壓）是指，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù)加在電容器上而不損壞電容器的最大直流電壓或交流電壓的有效值。3.?電容器的充電和放電（1）電容器的充電電容器的充電過程a）電容器充電b）充電電壓曲線c）充電電流曲線（2）電容器的放電電容器的放電過程a）電容器放電b）放電電壓曲線c）放電電流曲線4.?容抗——電容對交流電的阻礙作用當(dāng)電容器外接交流電時，電源與電容器之間不斷地充電和放電，電容器對交流電也會有阻礙作用。電容對交流電的阻礙作用稱為容抗，用XC表示，容抗的單位也是歐姆（Ω）。容抗的計算式為電容的容抗與頻率的關(guān)系可以簡單概括為：隔直流，通交流，阻低頻，通高頻。因此電容也被稱為高通元件。5.?電容器的連接（1）電容器的串聯(lián)（2）電容器的并聯(lián)二、電感器1.?電感器的結(jié)構(gòu)、類型和符號電感器的類型和符號電感器的類型和符號2.電感器的主要參數(shù)（1）電感（2）品質(zhì)因數(shù)3.?感抗——電感對交流電的阻礙作用將電感線圈接入交流電路中，由于交流電的大小和方向隨時都在變化，在電感線圈中便不停地產(chǎn)生自感電動勢，自感電動勢時刻起著阻礙電流變化的作用，電感對交流電的阻礙作用稱為感抗，用XL表示。感抗的單位也是歐姆（Ω）。線圈自感系數(shù)越大，感抗越大；交流電頻率越高，線圈感抗也越大。1.?了解純電阻交流電路、純電感交流電路、純電容交流電路中電壓與電流之間的相位關(guān)系和數(shù)量關(guān)系。2.?理解交流電路中瞬時功率、有功功率和無功功率的概念。3.?理解電感和電容的儲能特性。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-3單一參數(shù)交流電路一、純電阻交流電路一個交流電路中的所有元件如果只需要考慮電阻的作用，電容和電感可以忽略不計，則可將其近似地看作純電阻交流電路。1.?電流與電壓的關(guān)系（1）純電阻交流電路中，電阻中通過的電流也是一個與電壓同頻率的正弦交流電流，且與加在電阻兩端的電壓同相位。（2）在純電阻交流電路中，電流與電壓的瞬時值、最大值、有效值都符合歐姆定律。2.?功率在任一瞬間，電阻中電流瞬時值與同一瞬間電阻兩端電壓的瞬時值的乘積，稱為電阻獲取的瞬時功率。純電阻交流電路a）電路圖b）電壓、電流相量圖c）電壓、電流、功率的波形圖二、純電感交流電路由電阻很小的電感線圈組成的交流電路，可以近似地看作純電感交流電路。1.?電流與電壓的關(guān)系（1）在純電感交流電路中，電感兩端的電壓比電流超前90°，即電流比電壓滯后90°。圖b和圖c分別給出了電壓、電流的相量圖和電壓、電流、功率的波形圖。（2）電流與電壓的有效值之間符合歐姆定律，即純電感交流電路a）電路圖b）電壓、電流相量圖c）電壓、電流、功率的波形圖2.?功率由圖c所示功率曲線圖可見，瞬時功率在一個周期內(nèi)，有時為正值，有時為負(fù)值。瞬時功率為正值，說明電感從電源吸收電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存起來；瞬時功率為負(fù)值，說明電感將磁場能轉(zhuǎn)換為電能返還給電源。三、純電容交流電路1.?電流與電壓的關(guān)系2.?功率純電容交流電路a）電路圖b）電壓、電流相量圖c）電壓、電流、功率的波形圖1.?理解交流電路中電抗、阻抗和阻抗角的概念。2.?了解RLC串聯(lián)電路中電壓與電流之間的關(guān)系。3.?了解RLC串聯(lián)諧振電路的特點及其應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-4RLC串聯(lián)電路?一、電壓與電流的關(guān)系RLC串聯(lián)電路如圖所示。RLC串聯(lián)電路在RLC串聯(lián)電路中，由于R、L、C參數(shù)以及電源頻率f的不同，電路可能出現(xiàn)以下三種情況。（1）電感性電路（2）電容性電路（3）諧振電路二、串聯(lián)諧振1.?諧振頻率在RLC串聯(lián)電路中，當(dāng)電路發(fā)生諧振時，XL=XC，即可得f0稱為諧振頻率。2.?品質(zhì)因數(shù)電路串聯(lián)諧振時，電感和電容兩端的電壓有可能大于電源電壓，因此串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振。串聯(lián)諧振的特性可以用品質(zhì)因數(shù)來表示，此時品質(zhì)因數(shù)Q等于UL或UC與電壓U的比值，即1.?了解RLC并聯(lián)電路中電壓與電流之間的相位關(guān)系和數(shù)量關(guān)系。2.?了解RLC并聯(lián)諧振電路的特點和應(yīng)用。3.?理解感性負(fù)載并聯(lián)電容提高功率因數(shù)的原理。學(xué)習(xí)目標(biāo)§5-5RLC并聯(lián)電路一、電壓與電流的關(guān)系第一支路（電阻、電感串聯(lián)支路）電流i1的有效值為：i1滯后于u的相位角為：第二支路（電容支路）電流iC的有效值為：iC超前于電壓u的相位角為：

=90°。1.?相量圖RLC并聯(lián)電路相量圖a）電感性b）電容性c）電阻性2.?電路的三種性質(zhì)（1）電感性電路（2）電容性電路（3）諧振電路二、并聯(lián)諧振1.?并聯(lián)諧振的頻率2.?并聯(lián)諧