任务9-纯电阻、电感、电容电路

纯电阻电路、纯电感电路和纯电容电路中电流和电压的关系电场传播是需要时间的，感生电动势在电路内不同位置的产生时间是不同的，因为端电压减小的影响传播到电感线圈各处需要时间，同一时间内，各部分线圈的感生电动势大小也不同。

由于电场传播速率为光速，所以可以近似认为感生电动势和端电压时刻保持等大反相（所谓反相，是电磁场交变的相位相反），但这只是近似。

电流的变化服从渐变规律，主要是因为电场和磁场的相互转化是渐变的。

而电磁场相互转化服从正弦规律。

U+E=IR是电路总电流等于端电压和感生电动势之和与总电阻的比值。

这是忽略感生电动势的延迟效应得到的规律，这个规律中，没有考虑电场向磁场转化和磁场重新感生出电场的延迟，基本上是忽略了端电压变化导致出现磁通量变化，从而引起感生电动势出现的延迟过程。

感生电动势的产生，是为了阻碍电路中电动势产生的电流的改变。

随便拿一小段电路来说，引起感生电动势的实际上是电流的改变（因为磁通量来自于电流，磁通量改变也来自电流的改变）。

假设全电路是非常长的（比如15倍地球周长），那么当端电压开始改变时，端电压引起的电场变化，以光速传播到电路中点（距离电源两端距离都是7.5倍地球周长），需要1秒的时间。

在这个电场改变没有传递到电路中点前，电路中点处的一小段电路中的电流强度还没来得及发生改变，而这个改变只有在电场改变传递过来之后才会发生，所以，端电压改变之后1秒时，电路中点才出现感生电动势。

也就是说，在这个电路的各个位置处，由于端电压改变产生的影响传递到各处的时间不同，所以产生感生电动势的时间也不同。

只有电源两极附近的感生电动势最先产生（几乎和端电压改变同步）。

这就是所谓的延迟。

端电压实际上是可以看作一段电路中两个节点之间的电势差，并不代表电路中各处的电势差都是如此（实际上根据电路串联和并联的电压分配规则，也不可能代表得了）。

而感生电动势，也是在电路各处都不相同的。

通常来说，电路中某一节点处电场改变，不一定同时引起电流改变，因为电流实际上是电子流，电场改变对于电子流动的影响是有延迟的，因为电子有惯性（质量），被加速和减速需要时间，但电流没有被改变前，感生电动势是不存在的，所以，即使是同一位置来说，感生电动势的产生也是有延迟的，只不过这个延迟时间很短。

单相交流电路概述在直流电路中，电路的参数只有电阻R 。

而在交流电路中，电路的参数除了电阻R 以外，还有电感L 和电容C 。

它们不仅对电流有影响，而且还影响了电压与电流的相位关系。

因此，研究交流电路时，在确定电路中数量关系的同时，必须考虑电流与电压的相位关系，这是交流电路与直流电路的主要区别。

本节只简单介绍纯电阻、纯电感、纯电容电路。

一、纯电阻电路纯电阻电路是只有电阻而没有电感、电容的交流电路。

如白炽灯、电烙铁、电阻炉组成的交流电路都可以近似看成是纯电阻电路，如图3—7所示。

在这种电路中对电流起阻碍作用的主要是负载电阻。

加在电阻两端的正弦交流电压为u ，在电路中产生了交流电流i ，在纯电阻电路中，龟压和电流瞬时值之间的关系，符合欧姆定律，即：/i u R =由于电阻值不随时间变化，则电流与电压的变化是一致的。

就是说，电压为最大值时，电流也同时达到最大值；电压变化到零时，电流也变化到零。

如图3—8所示。

纯电阻电路中，电流与电压的这种关系称为“同相”。

通过电阻的电流有效值为：/I U R =公式3—14是纯电阻电路的有效值。

在纯电阻电路中，电流通过电阻所做的功与直流电路的计算方法相同，即：22P UI I R U R ===二、纯电感电路纯电感电路是只有电感而没有电阻和电容的电路。

如由电匪很小的电感线圈组成的交流电路，都可近似看成是纯电感电路，如图3—9所示。

在如图3—9所示的纯电感电路中；如果线圈两端加上正弦交流电压，则通过线圈的电流i 也要按正弦规律变化。

由于线圈中电流发生变化，在线圈中就产生自感电动势，它必然阻碍线圈电流变化。

经过理论分析证明，由于线圈中自感电动势的存在，使电流达到最大值的时间，要比电压滞后90︒，即四分之一周期。

也就是说，在纯电感电路中，虽然电压和电流都按正弦规律变化，但两者不是同相的，如图3—10所示，正弦电流比线圈两端正弦电压滞后90︒，或者说，电压超前电流90︒。

理论证明，纯电感电路中线圈端电压的有效值U ，与线圈通过电流的有效值之间的关系是：L //I U L U X ω==L ω是电感线圈对角频率为叫的交流电所呈现的阻力，称为感抗，用L X 表示，即： L 2X L fL ωπ==式中 L X ——感抗(Ω)；f ——频率(Hz)；L ——电感(H)。

RLC 串联电路 电工基础《电阻、电感、电容的串联电路》教案 课 题：电阻、电感、电容的串联电路授课教师：授课班级：班教学目标：① 掌握R-L-C 串联电路中电压与电流的相位关系和大小关系② 理解电压三角形和阻抗三角形的组成③ 熟练运用相量图计算R-L-C 串联电路中的电流和电压 教学重点：电流与电压的相位及大小关系教学难点：根据相量图推出电压三角形和阻抗三角形教学方法：仿真演示、启发引导、讲解教学过程：【复习回顾】1、纯电阻电路电流与电压的关系2、纯电感电路电流与电压的关系3、纯电容电路电流与电压的关系【导入示标】R-L-C 串联电路(1)【新授教学】一、R-L-C 串联电路的特点1、电流瞬时值关系： 相量关系:有效值关系： 2、电压瞬时值关系：相量关系: 有效值关系： ， C L Ri i i i ===C L R I I I ∙∙∙==C L R I I I I ===CL R U U U U ∙∙∙∙++=C L R u u u u ++=ZU I =22)(C L X X R Z -+=二、R-L-C 串联电路电压与电流的相位关系1、向量图2、电路性质判断三、R-L-C 串联电路电压与电流的大小关系1、电压电流阻抗大小关系2、电压关系3、阻抗关系四、例题讲解在RLC 串联电路中，交流电源电压U=220V ，频率f=50Hz ，R =30Ω，L =445mH ，C =32μF 。

试求：(1) 电路中的电流大小I ；(2) 总电压与电流的相位差ϕ；(3)各元件上的电压U R 、U L 、U C ；五、课堂演练在R-L-C 串联电路中，已知电阻R=40Ω，感抗X L =60Ω ，容抗X C =30Ω ，外加u =311sin(100πt+60。

)v 的交流电源，试求：(1) 电路中的电流I ；(2)各元件电压U R 、U L 、U C ；(3)总电压与电流的相位差ϕ；（4）写出 的瞬时表达式。

引入
新课
．纯电阻电路：交流电路中若只有电阻，这种电路叫纯电阻电路。

如含有白炽灯、电炉、电烙铁等的电路。

．电阻元件对交流电的阻碍作用，单位Ω
引入新课
图3纯电感电路电
图2 纯电感电路电流、电压波形图
图2 纯电感电路电流、电压波形图图3纯电感电路电流、电压矢量图
四、纯电感电路的功率
1、瞬时功率
纯电感电路中的瞬时功率等于电压瞬时值与电流瞬时值的乘积，即
图4 纯电感电路功率曲线
P>0，电感从电源获取电能，并储存为磁场能，此时起负载作用
P<0，电感把储存的磁场能转化为电能，此时起电源作用
因此在一个周期内，电感时而吸收功率，时而释放功率，只与电路交换能量，并不消耗电能，只是一个储能元件。

、有功功率
引入
新课
电容在交、直流电路中的作用
：直流电不能通过电容器，交流电能“通过”电容器。

当电源电压增高时，电源给电容器充电，当电源电压降低时，电容器放电，充放电交替进）电容对交流电的阻碍作用叫容抗。

用X C表示。

分析：纯电容电路的瞬时功率p是随时间按正弦规律变化的，其频率为电源频率的
，其波形图如上图所示。

、有功功率PC = UIcosϕ = 0。

与纯电感电路相似，从上图中可以看出，纯电容电路的有功功
小结。

课题4－2纯电阻电路课型新课授课班级授课时数1教学目标1．掌握纯电阻电路中电流与电压的数量关系及相位关系；2．理解纯电阻电路的功率；3．会分析纯电阻电路的电流与电压的关系；4．会分析计算纯电阻电路的相关物理量。

教学重点1．纯电阻电路的电压、电流的大小和相位关系。

2．纯电阻电路瞬时功率、有功功率、无功功率的计算。

教学难点纯电阻电路瞬时功率、有功功率、无功功率的计算。

教学后记1.提出问题，引导学生思考电方面知识，引起兴趣。

2.结合前面学过的知识，让学生自主探究，让他们由“机械接受”向“主动探究”发展，从而落实了新课程理念：突出以学生为主体，让学生在活动中发展。

3.总结结论，引导学生自己得出结论，养成良好的自主学习能力。

引入新课【复习提问】1、正弦交流电的三要素是什么2、正弦交流电有哪些方法表示【课题引入】：我们在是日常生活中用到的白炽灯、电炉、电烙铁等都属于电阻性负载，它们与交流电源联接组成纯电阻电路，那么它们在交流电路中工作时，电压和电流间的关系是否也符合欧姆定律呢纯电阻电路的定义只有交流电源和纯电阻元件组成的电路叫做纯电阻电路。

第一节纯电阻电路一、电路1．纯电阻电路：交流电路中若只有电阻，这种电路叫纯电阻电路。

如含有白炽灯、电炉、电烙铁等的电路。

2．电阻元件对交流电的阻碍作用，单位二、电流与电压间的关系1．大小关系电阻与电压、电流的瞬时值之间的关系服从欧姆定律。

设在纯电阻电路中，加在电阻R上的交流电压u U m sin t,则通过电阻R的电流的瞬时值为：i =Ru=RtUsinm Im sintI mRUmI =2m I RU 2m =RU IRU：纯电阻电路中欧姆定律的表达式，式中：U 、I 为交流电路中电压、电流的有效值。

这说明，正弦交流电压和电流的最大值、有效值之间也满足欧姆定律。

2．相位关系（1）在纯电阻电路中，电压、电流同相。

（2）表示：电阻的两端电压 u 与通过它的电流 i 同相，其波形图和相量图如图1所示。

第二节 纯电阻、纯电感与纯电容电路教学内容：主要讲三个问题：1.纯电路电流与电压的相位关系2..纯电路电流与电压的数量关系3.纯电路的功率关系教学方法：采用作图分析法教学课时：2×45 min 。

目的要求：使学生了解各种纯电路电流、电压的相位关系及功率关系。

重点难点：重点：三大关系；难点：纯电感电路电流与电压的相位关系。

时间分配：复习提问：5~10min ；讲课：45~50min ；课堂小结：5~10min ；作业练习：25~30min 。

上节内容提问：1.交流电的三要素是什么？2.什么是交流电初相角与相位差？3.如何用矢量图来表正弦交流电？一、纯电阻电路白炽灯、电烙铁、电炉等。

如图1所示。

1.电流与电压的相位关系 设加在电阻两端的电压为t U u m ωsin = （1）根据欧姆定律可知，通过电阻的电流为t I t RU R u i m mωωsin sin ===（2） 比较（1）、（2）两式可以看出，电流与电压是同相位的，其波形图与矢量图如图（2）所示。

2.电流与电压的数量关系 从（2）式可得：RU I mm =两边都除以2：RUI =单位：A=V/Ω （3） 可见其数量关系符合欧姆定律。

3.功率关系纯电阻电路的瞬时功率可表示为：t IU IU t U I t U I iu p mm m m ωωω2cos )2cos 1(2sin 2-=-=== 即 t IU IU p ω2cos -= （4）其波形图如图（2）所示。

其实从电流电压同相位这一点，就能得到功率的波形图。

由图可知，每一瞬时的功率都为正，说明电阻元件始终从电源索取能量用来作功，是个耗能元件。

我们用一个周期内功率的平均值作为纯电阻电路的平均功率，也叫有功功率：RU R I IU P 22=== （W ） （5）“有功”的本质含义是消耗。

例：有一220V 、60W 的电灯，接在220V 的电源上，试求通过电灯的电流和电灯的电阻。

第二节电阻、电感、电容在交流电路中的特性在直流稳态电路中，电感元件可视为短路，电容元件可视为开路。

但在交流电路中，由于电压、电流随时间变化，电感元件中的磁场不断变化，引起感生电动势；电容极板间的电压不断变化，引起电荷在与电容极板相连的导线中移动形成电流。

因此，电阻R、电感L、及电容C对交流电路中的电压、电流都会产生影响。

电压和电流的波形及相量图如图2-10b、c所示。

电阻R两端的电压和流经R的电流同相，且其瞬时值、幅值及有效值均符合欧姆定律。

电阻元件R的瞬时功率为：电阻功率波形如图2-10d。

任一瞬间，p≥0，说明电阻都在消耗电能。

电阻是耗能元件，将从电源取得的电能转化为热能。

电路中通常所说的功率是指一个周期内瞬时功率的平均值，称平均功率，又称有功功率，用大写字母P表示，单位为瓦（W）。

（2-13）式中，U、I 分别为正弦电压、电流的有效值。

例2 －4有一电灯，加在其上的电压u=311sin314t V，电灯电阻R=100Ω，求电流I、电流有效值I和功率P。

若电压角频率由314rad/s变为3140rad/s，对电流有效值及功率有何影响？解：由欧姆定律可知因电阻阻值与频率无关,所以当频率变化时,电流有效值及功率不变。

2．电感元件当电感线圈中通过一交变电流i时，如图2-11a，在线圈中引起自感电动势e L，设电流（2-14）电感电压（2-15）用相量表示：即（2-16）同理，有效值相量（2-17）令则式2-18为电感元件的伏安特性，其中XL称为电感抗，简称感抗，单位欧姆（Ω）。

感抗XL表示电感对交流电流的阻碍能力，与电阻元件的电阻R类似；但与电阻不同，XL 不仅与电感元件本身的自感系数L有关，还与正弦电流的角频率ω有关，ω越大，感抗越大。

对于直流电路，ω=0，XL=0，电感可视为短路。

电感元件的瞬时功率为：（2-21）其平均值为：（2-22）电感的瞬时功率波形图见图2-11d。

在第一和第三个1/4周期，电感元件处于受电状态，它从电源取得电能并转化为磁场能，功率为正，电感元件所储存的磁场能（2-23）电流的绝对值从0增加到最大值Im，磁场建立并逐渐增强，磁场能由0增加到最大值1/2LIm2；在第二和第四个1/4周期，电感元件处于供电状态，它把磁场能转化为电能返回给电路，功率为负，电流由最大值减小到0，磁场消失，磁场能变为0。