一个单词,帮助记忆电感、电容上V和I的相位关系
电抗
如果在电感、电容的两端施加电压,它们会对电流有阻碍作用。这种阻碍用电抗(Reactance)来衡量,单位是欧姆(Ω,ohm)。
虽然电阻的阻值也是欧姆,但与电阻不同,电抗与信号的频率有关,电感、电容的电抗分别如下:
可以看到,在全频率上:
- 电阻的阻值是一条直线;
- 电感的阻值(电抗)随着频率增大而增大;
- 电容的阻值(电抗)随着频率增大而减小;
用数学公式表述电感、电容的电抗,公式如下:
如果电抗只是衡量器件对电流的阻力,那电子世界肯定没那么丰富多彩。实际上,阻力的大小只是电抗的一方面,另一方面就是引发相位的变化。
相位的变化
在纯电阻电路中,电流和电压以相同的方式变化,即,两个波形同时达到峰值,同时通过零点。因此,纯电阻电路中的电压和电流称为彼此“同相”。
在纯电感电路中,电压和电流波形不同相。电感因“反电动势效应”阻碍电流的变化。这导致电流在电压达到峰值后一段时间才达到峰值。因此,在电感电路中,电流滞后于电压。
如果施加的是正弦信号,由于电压不断变化,电流也不断变化,电流的峰值正好出现在电压峰值之后的四分之一周期(90°)。
在纯电容电路中,相位情况与纯电感电路相反,电压滞后于电流,电压波形的峰值出现在电流峰值之后四分之一周期(90°)。
注意,以上说的是纯电感和纯电容,也就是电路中没有电阻的成分。
一个单词记住相位关系
借用一个英文单词记住电感、电容上电压、电流的相位关系——“CIVIL”,中文翻译为“文明”。
对于“CIVIL”,前三个字母 CIV 表示在电容器 (C) 中,V 滞后于I,后三个字母 VIL 表示在电感器 (L) 中,I 滞后于V:
你看,“CIVIL”的字母顺序是不是与电感、电容上电压、电流的相位关系一致?
如果你觉得CIVIL这个单词还是太绕口,那还有一个更简单的单词——“ICE”,中文翻译为“冰”。
对于“ICE”,I表示电流,C表示电容器,E表示电动势,字母顺序反映了电容上电压滞后电流的相位关系:
而对于电感,只需要记住电容的“ICE”,然后电感与电容呈相反的相位关系即可。
阻抗上的相位关系
以上说的是纯粹的电感或电容,其阻值用“电抗”(Reactance)表示。
如果电路中除了电感、电容以外,还有电阻,就要用“阻抗”(Impedance)表示电路对电流的整体阻碍情况。实际上,现实中的电感、电容器件本身也具有内阻。
由于在电阻上,电压与电流是同相的。而在电抗上,电压与电流不是同相的,呈90°相位差异。所以,电阻与电抗在相位上正交。因此,阻抗可以用数学的实数+虚数表示,实部代表电阻,虚部代表电抗:
阻抗的大小,是实部与虚部的模。
阻抗的相位,因为电阻的存在,不再是纯电容或纯电感,相位介于0°-90°之间。
小结
可以用“CIVIL”或者“ICE”帮助记忆电感、电容上,电压和电流的相位关系。
如果是纯电感、纯电容,电压和电流的相位差异为90°。
如果是非纯电感、纯电容,对电流的阻碍用阻抗表示,电压和电流的相位介于0°-90°之间。
参考资料
参考资料,主要来自:
- http://www.learnabout-electronics.org/ac_theory/
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/phase.html
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