如何正确理解电路中的感抗和容抗

如何正确理解电路中的感抗和容抗

作者：蔡东霞

来源：《教师·上》2010年第06期

摘要:在高中物理选修3-2第五章第一节“电感和电容对交变电流的影响”内容的教学中,本人发现高二学生在电感和电容的定义、物理意义、作用、决定因素、能量损耗等方面的学习难度较大。本文从电感和电容的产生原因、影响大小的因素、在电路中的作用、消耗电能等四个方面进行了探讨,对教师的教学和学生的学习都有较好的指导意义。

关键词:感抗;容抗;电路;教学;作用

交变电流通过电感线圈时,线圈中会产生感应电动势阻止电流变化,因而有一种阻止交变电流通过的作用,我们称之为“感抗”。实验证明,感抗在数值上等于加在电感线圈上的电压的有效值和通过它的电流的有效值之比,即XL=UL/IL。感抗的单位是“Ω(欧姆)”,用符号 “XL”表示。与感抗类似,交变电变通过电容时,电容器也有一种阻止交流电流通过的作用,我们称之为“容抗”。实验证明,容抗在数值上等于电容器上电压的有效值和电流的有效值之比,Xc=Uc/Ic。容抗的单位是“Ω(欧姆)”,用符号 “Xc”表示。

一、产生感抗和容抗的原因

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(1)感抗:当交变电流通过电感线圈时,变化的电流在电感线圈中产生自感电动势,阻碍原电流的变化,因此电感线圈对交变电流有阻碍作用。

(2)容抗: 电容器接到交流电源时,实际上自由电荷也没有通过两极间的绝缘介质,只是由于两极板间的电压在变化,当电压升高时,电荷向电容器的极板上聚集,形成充电电流;当电压降低时,电荷离开极板,形成放电电流。电容器交替进行充电和放电,电路中就有了电流,表现为交流“通过”了电容器。問题是在给电容器充电的同时,积累在两极板上的电荷又会排斥将要到达两极板的电荷,因此对交变电流也有阻碍作用。

二、影响感抗和容抗的大小的因素

(1)感抗:电感线圈的自感系数越大,对交变电流产生的自感现象越明显,阻碍作用也越大,即感抗越大;交流电流的频率越高(即交流电流的变化越快),产生的自感现象也越明显,阻碍作用也越大,即感抗越大。表达式为:XL=2πf L。

(2)容抗:电容器的电容越大,表明电容器储存电荷的能力越大,在电压一定的条件下,单位时间内电路中充、放电移动的电荷量越大,电流越大,所以电容对交变电流的阻碍作用越小,即容抗越小;在交变电流的电压一定时,交变电流的频率越高,电路中充、放电越频繁,单位时间内电荷移动速率越大,电流越大,电容对交变电流的阻碍作用越小,即容抗越小。表达式为:Xc =。

三、电感和电容在电路中的作用

1. 电感:“通直流,阻交流;通低频,阻高频”

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由感抗产生的原因知:电感线圈对直流电流没有阻碍作用,即“通直流,阻交流”。

由感抗的表达式XL=2πf L知:自感系数大的电感线圈,对频率小的交变电流就会有明显的感抗,更不用说是高频交变电流了。我们把这种电感线圈叫低频扼流圈。只要是交流通过低频扼流圈都会有较大的感抗,而对直流没有阻碍作用。即低频扼流圈“通直流,阻交流”。

而自感系数小的电感线圈,对频率小的交变电流感抗很小,只有高频交变电流通过时才会有明显的感抗作用。我们把这种线圈叫高频扼流圈。高频扼流圈“通低频,阻高频”。

2.电容:“通交流,隔直流;通高频,阻低频”

直流不能通过电容器是容易理解的,因为电容器的两个极板被绝缘介质隔开了。所以电容器“通交流,隔直流”。

电容对交流电流有阻碍作用,由容抗的表达式Xc =知:电容小的电容器,对频率大的交变电流就会有明显的容抗,更不用说是低频交变电流了。而电容大的电容器,对频率大的交变电流几乎没有容抗,但对低频交变电流有明显的容抗。所以电容大的电容器,“通高频,阻低频”。

四、感抗和容抗都不消耗电能

电流通过电阻时,电能转化为内能;电流通过电感时,当电流增大,电能转变成磁场能,

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电流减小时,磁场能又转变成电能;电流通过电容时,当电容两端电压增大,电能转变成电场能,当电容两端电压减小时,电容中的电场能又转变成电能。所以,在交流电通过纯电感或纯电容时,电能并没有减少,而是在电能—磁场能,或电能—电场能之间不停地转化。

(作者单位:湖南省长沙县第一中学)