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哈工大課件-第5章電容元件和電感元電容元件基本概念與特性電感元件基本概念與特性電容元件在電路中應(yīng)用電感元件在電路中應(yīng)用電容、電感串聯(lián)與并聯(lián)組合特性總結(jié)回顧與拓展延伸電容元件基本概念與特性01電容定義電容是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量,用字母C表示。在國(guó)際單位制里,電容的單位是法拉,簡(jiǎn)稱(chēng)法,符號(hào)為F。物理意義電容反映了電容器儲(chǔ)存電荷的能力,其大小取決于電容器極板的面積、極板間的距離以及極板間的電介質(zhì)。電容定義及物理意義電容元件伏安關(guān)系伏安特性電容元件的伏安關(guān)系遵循i=C(dv/dt)的規(guī)律,其中i為電流,C為電容,dv/dt為電壓對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。這表明電容元件的電流與其兩端電壓的變化率成正比。充放電過(guò)程當(dāng)電容器充電時(shí),電流流入電容器正極板,同時(shí)流出負(fù)極板,電容器極板上的電荷逐漸積累,電容器兩端電壓逐漸升高;放電時(shí)則相反。在充電過(guò)程中,電源將電能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能儲(chǔ)存在電容器中。電容器的儲(chǔ)能與其兩端電壓的平方和電容值成正比。儲(chǔ)能過(guò)程在放電過(guò)程中,電容器將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電能釋放給負(fù)載。放電過(guò)程中電流逐漸減小,電容器兩端電壓逐漸降低至零。釋放過(guò)程電容元件儲(chǔ)能與釋放過(guò)程線性電容的伏安關(guān)系遵循歐姆定律,其電容量不隨電壓和電流的變化而變化。線性電容在電路中主要用于濾波、耦合和旁路等。線性電容特性非線性電容的伏安關(guān)系不遵循歐姆定律,其電容量隨電壓和電流的變化而變化。非線性電容在電路中可用于實(shí)現(xiàn)振蕩、調(diào)諧和波形變換等功能。非線性電容的典型代表有變?nèi)荻O管、濕敏電容等。非線性電容特性線性與非線性電容特性比較電感元件基本概念與特性02電感定義電感是指導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),由于導(dǎo)體內(nèi)部磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。物理意義電感是電路中的一種重要元件,具有儲(chǔ)存和釋放磁場(chǎng)能量的能力。在交流電路中,電感元件對(duì)電流的變化具有阻礙作用,使得電流的變化滯后于電壓的變化,從而起到濾波、振蕩、變壓等作用。電感定義及物理意義伏安特性電感元件的伏安特性是指電感上的電壓與電流之間的關(guān)系。在直流電路中,電感元件相當(dāng)于短路;在交流電路中,電感元件的阻抗與頻率成正比,即感抗XL=2πfL。相位關(guān)系在交流電路中,電感元件上的電壓與電流之間存在相位差。電流滯后于電壓90度相位角,即電壓的相位超前于電流的相位。電感元件伏安關(guān)系VS當(dāng)電感元件接入電路時(shí),隨著電流的增大,電感內(nèi)部磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng),從而儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量。儲(chǔ)能過(guò)程中,電感元件吸收電能并轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。釋放過(guò)程當(dāng)電路斷開(kāi)或電流減小時(shí),電感內(nèi)部磁場(chǎng)逐漸減弱并釋放儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量。釋放過(guò)程中,電感元件將儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能并回饋給電路。儲(chǔ)能過(guò)程電感元件儲(chǔ)能與釋放過(guò)程線性電感元件的伏安特性呈線性關(guān)系,即電感上的電壓與電流成正比。線性電感的感抗值保持恒定,不隨電流或電壓的變化而改變。非線性電感元件的伏安特性呈非線性關(guān)系,即電感上的電壓與電流之間不成正比。非線性電感的感抗值隨電流或電壓的變化而改變,表現(xiàn)出復(fù)雜的電磁特性。在實(shí)際應(yīng)用中,非線性電感可用于實(shí)現(xiàn)振蕩、變頻、限流等特殊功能。線性電感特性非線性電感特性線性與非線性電感特性比較電容元件在電路中應(yīng)用03隔直流電容元件具有阻止直流電流通過(guò)的特性,因此在電路中可以起到隔離直流的作用。這種特性使得電容元件在直流電源電路中能夠阻止直流成分對(duì)負(fù)載的影響。通交流電容元件對(duì)交流信號(hào)具有導(dǎo)通性,允許交流電流通過(guò)。在交流電路中,電容元件的阻抗與頻率成反比,因此高頻信號(hào)可以更容易地通過(guò)電容元件。隔直流通交流作用分析耦合在電路中,電容元件可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的耦合傳遞。通過(guò)合理設(shè)置電容值,可以將前級(jí)電路的信號(hào)傳遞到后級(jí)電路,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和放大。要點(diǎn)一要點(diǎn)二解耦電容元件還可以用于實(shí)現(xiàn)電路之間的解耦。在復(fù)雜電路中,不同部分之間可能存在相互干擾,通過(guò)在關(guān)鍵位置添加電容元件,可以消除這些干擾,提高電路的穩(wěn)定性。耦合和解耦功能實(shí)現(xiàn)濾波和旁路作用探討電容元件在電路中可以起到濾波的作用。在電源電路中,通過(guò)添加電容元件可以濾除高頻噪聲和紋波,使輸出電壓更加穩(wěn)定。在信號(hào)處理電路中,電容元件可以與其他元件組成濾波器,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)的濾除或增強(qiáng)。濾波旁路電容是一種特殊的濾波應(yīng)用。在電路中,旁路電容可以將高頻噪聲或紋波直接旁路到地,從而避免對(duì)負(fù)載或后續(xù)電路的影響。旁路電容通常具有較小的容值和較高的耐壓能力。旁路振蕩器電容元件可以作為振蕩器的重要組成部分。通過(guò)與電感元件或晶體管等器件配合,可以構(gòu)成振蕩器電路,產(chǎn)生特定頻率的交流信號(hào)。振蕩器在通信、測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。調(diào)諧回路在無(wú)線電通信中,調(diào)諧回路是實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇的關(guān)鍵部分。通過(guò)調(diào)整電容元件的容值,可以改變調(diào)諧回路的諧振頻率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)的接收或發(fā)射。調(diào)諧回路在收音機(jī)、電視機(jī)等接收設(shè)備中具有重要作用。振蕩器及調(diào)諧回路設(shè)計(jì)電感元件在電路中應(yīng)用04電感元件在直流電路中,由于自感電動(dòng)勢(shì)的作用,可以阻止電流的變化,從而起到直流偏置的作用。通過(guò)選擇合適的電感值,可以調(diào)整電路的直流工作點(diǎn)。直流偏置作用在交流電路中,電感元件對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)阻抗,其阻抗大小與信號(hào)頻率和電感值有關(guān)。因此,電感元件可以用來(lái)阻止或限制交流信號(hào)通過(guò),起到扼流的作用。這在需要隔離直流和交流信號(hào)的場(chǎng)合非常有用。扼流作用直流偏置及扼流作用分析變壓器原理變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作的電感元件。當(dāng)變壓器的初級(jí)繞組通以交流電時(shí),會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通,從而在次級(jí)繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)改變繞組的匝數(shù)比,可以實(shí)現(xiàn)電壓的變換。應(yīng)用舉例變壓器在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,如升壓變壓器、降壓變壓器等。此外,在電子電路中,變壓器也常用于信號(hào)傳輸、阻抗匹配等場(chǎng)合。變壓器原理及應(yīng)用舉例振蕩器是一種能夠產(chǎn)生持續(xù)振蕩信號(hào)的電路。電感元件在振蕩器中起到儲(chǔ)存能量和維持振蕩的作用。通過(guò)與電容元件的配合,可以構(gòu)成LC振蕩回路,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和反饋。振蕩器原理調(diào)諧回路是一種能夠選擇特定頻率信號(hào)通過(guò)的電路。電感元件在調(diào)諧回路中起到調(diào)整諧振頻率的作用。通過(guò)改變電感值或配合可變電容,可以實(shí)現(xiàn)回路的調(diào)諧功能。調(diào)諧回路設(shè)計(jì)振蕩器及調(diào)諧回路設(shè)計(jì)濾波器原理濾波器是一種能夠選擇特定頻率信號(hào)通過(guò)的電路,用于濾除不需要的頻率成分。電感元件在濾波器中起到構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)的作用,與電容元件一起構(gòu)成LC濾波器。電感元件選擇在選擇濾波器中的電感元件時(shí),需要考慮其電感值、品質(zhì)因數(shù)、自諧振頻率等參數(shù)。合適的電感元件可以提高濾波器的性能,如提高濾波效果、減小插入損耗等。濾波器中電感元件選擇電容、電感串聯(lián)與并聯(lián)組合特性05在串聯(lián)電路中,各元件中的電流均相等,即i1=i2=…=in。電流相同串聯(lián)電路的總電壓等于各元件上的電壓之和,即u=u1+u2+…+un。電壓分配電容和電感的串聯(lián)會(huì)使得總阻抗增加,且呈現(xiàn)阻容性或阻感性。阻抗增加串聯(lián)組合特性分析電壓相同在并聯(lián)電路中,各元件兩端的電壓均相等,即u1=u2=…=un。電流分配并聯(lián)電路的總電流等于各元件中的電流之和,即i=i1+i2+…+in。阻抗減小電容和電感的并聯(lián)會(huì)使得總阻抗減小,且呈現(xiàn)阻容性或阻感性。并聯(lián)組合特性分析對(duì)于復(fù)雜的串并聯(lián)組合網(wǎng)絡(luò),可以通過(guò)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的方法將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的串聯(lián)或并聯(lián)電路。串并聯(lián)轉(zhuǎn)換等效電源法節(jié)點(diǎn)電壓法網(wǎng)孔電流法將網(wǎng)絡(luò)中的電源和阻抗進(jìn)行等效變換,從而簡(jiǎn)化電路分析。以網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn),列出節(jié)點(diǎn)電壓方程,通過(guò)求解方程得到各支路電流和電壓。以網(wǎng)孔電流為未知量,列出網(wǎng)孔電流方程,通過(guò)求解方程得到各支路電流和電壓。串并聯(lián)組合網(wǎng)絡(luò)等效簡(jiǎn)化方法總結(jié)回顧與拓展延伸06關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)總結(jié)回顧電容元件的基本概念:電容元件是一種能夠儲(chǔ)存電能的被動(dòng)電子元件,其儲(chǔ)存電能的能力稱(chēng)為電容。電容的單位是法拉(F)。電容元件的伏安特性:電容元件的伏安特性表明,電容元件兩端的電壓與通過(guò)它的電流之間的關(guān)系是線性的,但電流的方向與電壓的變化率有關(guān)。當(dāng)電壓上升時(shí),電流流入電容元件;當(dāng)電壓下降時(shí),電流流出電容元件。電感元件的基本概念:電感元件是一種能夠儲(chǔ)存磁能的被動(dòng)電子元件,其儲(chǔ)存磁能的能力稱(chēng)為電感。電感的單位是亨利(H)。電感元件的伏安特性:電感元件的伏安特性表明,電感元件兩端的電壓與通過(guò)它的電流之間的關(guān)系是非線性的,電壓的大小和方向取決于電流的變化率。當(dāng)電流增大時(shí),電感元件產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),阻礙電流的增加;當(dāng)電流減小時(shí),電感元件釋放儲(chǔ)存的磁能,維持電流繼續(xù)流動(dòng)?;卮痣娙菰陔娐分兄饕鸬絻?chǔ)存電能、濾波、耦合等作用;而電感元件則主要起到儲(chǔ)存磁能、濾波、振蕩等作用。問(wèn)題2如何理解電容元件和電感元件的伏安特性?問(wèn)題1電容元件和電感元件在電路中的作用是什么?常見(jiàn)問(wèn)題解答及誤區(qū)澄清常見(jiàn)問(wèn)題解答及誤區(qū)澄清認(rèn)為電容元件和電感元件都是線性元件。實(shí)際上,電容元件是線性元件,而電感元件是非線性元件。這是因?yàn)殡姼性拇棚柡同F(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致其伏安特性呈現(xiàn)非線性。常見(jiàn)問(wèn)題解答及誤區(qū)澄清澄清誤區(qū)1拓展1:超級(jí)電容器超級(jí)電容器是一種具有超高電容量的電容器件,其電容量可達(dá)數(shù)千法拉甚至數(shù)萬(wàn)法拉。超級(jí)電容器具有充電速度快、循環(huán)壽命

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