第五章 第3节 电感和电容对交变电流的影响

第3节电感和电容对交变电流的影响要点一一、电感、电容对交变电流的作用是怎样形成的？1．电感对交变电流的阻碍作用交变电流通过线圈时，由于电流时刻在变化，线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍电流的变化，就形成了对交变电流的阻碍作用．2．交变电流能够“通过”电容器当电容器接到交流电源上时，由于电流时刻在变化，电压升高时，形成充电电流．电压降低时，形成放电电流，充放电交替进行．电路中就好像交变电流“通过”了电容器，实际上自由电荷并没有通过两极板间的绝缘介质．3．电容对交变电流的阻碍作用电源电压推动自由电荷定向运动．而电容器两极板上积累的电荷反抗自由电荷的定向运动．从而产生了电容器对交变电流的阻碍作用．4．当电容器与直流电源的两极相连接时，接通的瞬间因电容器充电产生瞬时电流，充电完毕后，电容器两极板间电压与电源两极间电压相等，电路中没有电流．5．电感、电容接到交流电源上时，电能与磁场能或电场能往复转化，所以不会消耗电能，而电流通过电阻时，必然会产生焦耳热，从而造成电能的损耗．二、电容器、电感器有何应用？1．电容器对交变电流作用的应用(1)隔直电容器，如图5－3－4甲所示，作用是“通交流、隔直流”，因为直流电不能通过电容器．交流电能“通过”电容器，起这样作用的电容器电容更大些．图5－3－4(2)高频旁路电容器，如图5－3－4乙所示，作用是“通高频，阻低频”．因为对不同频率的交流电，频率越高，容抗越小，频率越低，容抗越大，即电容对低频交变电流阻碍作用大，对高频交变电流阻碍作用小，起这样作用的电容器电容要小些．2．电感和电容的组合应用根据电感、电容对交变电流阻碍作用的特点，可以将二者结合并与电阻组合到一起来完成一定的任务．(1)如果将电容与负载并联，然后与电感串联，就能更好的起到滤掉电流中交流成分或高频成分的作用，如图5－3－5甲所示．(2)如果将电感与负载并联，然后与电容串联，就能更好的起到滤掉电流中直流成分和低频成分的作用．如图5－3－5乙所示．图5－3－5一、电感对交变电流的影响【例1】交变电流通过一段长直导线时，电流为I，如果把这根长直导线绕成线圈，再接入原电路，通过线圈的电流为I′，则()A．I′>I B．I′<IC．I′＝I D．无法比较解析长直导线的自感系数很小，感抗可忽略不计，其对交变电流的阻碍作用可以看作是纯电阻，流经它的交变电流只受到导线电阻的阻碍作用．当导线绕成线圈后，电阻值未变，但自感系数增大，对交变电流不但有电阻，而且有感抗，阻碍作用增大，电流减小．答案 B二、交变电流“通过”电容器【例2】对交流电通过电容器的理解正确的是()A．交变电流能够使电容器极板间的绝缘介质变成导体B．交变电流定向移动的电荷通过电容器两板间的绝缘介质C．交变电流能够使电容器交替进行充电、放电，电路中就有了电流，表现为交变电流通过了电容器D．交变电流通过了电容器，实际上自由电荷并没有通过电容器极板间的绝缘介质(击穿除外)解析电流能“通过”电容器，并非电荷真的通过电容器两板间的电介质，而是交变电流交替对电容器充放电，电容器中并未有电荷通过，电路中有了电流，表现为交变电流通过了电容器．答案CD1.如图5－3－6所示，图5－3－6输入端ab的输入电压既有直流成分，又有交流成分，以下说法中，正确的是(L的直流电阻不为零)()A．直流成分只能从L通过B．交流成分只能从R通过C．通过R的既有直流成分又有交流成分D．通过L的直流成分比通过R的直流成分要大答案CD解析由于线圈直流电阻不为零，所以有直流通过R，而线圈对交流有阻碍作用，因此也有交流成分通过R，B错，C正确．由于R对交流也有阻碍作用，所以也有交流成分通过L，A错，因为导线的一般直流电阻都很小，所以通过线圈的直流要比通过R的要大，D正确．2．如图5－3－7所示电路中，图5－3－7U为220 V交流电源，C为电容器，R是电阻，这一交流电路电压有效值关系是U2＝U2R＋U2C.关于交流电压表的示数，下列说法正确的是()A．等于220 V B．大于220 VC．小于220 V D．等于零答案 C3．如图5－3－8所示，交流电源的电压为220 V，频率f＝50 Hz，三只灯L1、L2、L3的亮度相同，线圈L无直流电阻，图5－3－8若将交流电源的频率变为f＝100 Hz，则()A．L1灯比原来亮B．L2灯比原来亮C．L3灯和原来一样亮D．L3灯比原来亮答案AC解析电容器的容抗与交流电的频率有关，频率高、容抗小，即对高频交流电的阻碍作用小，所以A项正确．线圈对交流电的阻碍作用随频率升高而增大，所以B项错．电阻R 中电流只与交流电有效值及R值有关，所以C项正确，D项错.题型一电容对交变电流的影响如图1所示，某输电线路横穿公路时，要在地下埋线通过．为了保护输电线不至于被压坏，可预先铺设结实的过路钢管，再让输电线从钢管中穿过．电线穿管的方案有两种，甲方案是铺设两根钢管，两条输电线分别从两根钢管中穿过，乙方案是只铺设一根钢管，两条输电线都从这一根钢管中穿过，如果输电导线输送的电流很强大，那么，以下说法正确的是()图1A．无论输送的电流是恒定电流还是交变电流．甲、乙两方案都是可行的B．若输送的电流是恒定电流，甲、乙两方案都是可行的C．若输送的电流是交变电流，乙方案是可行的，甲方案是不可行的D．若输送的电流是交变电流，甲方案是可行的，乙方案是不可行的思维步步高恒定电流和交变电流的区别是什么？钢管与电流间形成什么电器元件？怎样才能消除影响？答案BC解析恒定电流对于一根还是两根钢管毫无影响，但交变电流通过的导线和钢管之间形成电容器，对交变电流有阻碍作用，而两根线从一根钢管中穿过，并且任一时刻电流的方向都等大反向，产生的影响抵消．拓展探究某一电学黑箱内可能有电容器、电感线圈、定值电阻等元件，在接线柱间以如图2所示的“Z”字形连接(两接线柱间只有一个元件)．为了确定各元件种类，小华同学把DIS计算机辅助实验系统中的电流传感器(相当于电流表)与一直流电源、滑动变阻器、开关串联后，分别将AB、BC、CD接入电路，闭合开关，计算机显示的电流随时间变化的图象分别如图中a、b、c所示，则如下判断中正确的是()图2A．AB间是电容器B．BC间是电感线圈C．CD间是电容器D．CD间是定值电阻答案ABD解析电容器的特性是：闭合开关后，瞬间充电结束后，电路中不再有电流，a对应的AB应是电容器，A对；电感线圈对变化的电流有阻碍作用，对恒定电流无阻碍作用，BC间为电感线圈，B正确；定值电阻的特性是加恒定电压，瞬间即产生恒定的电流，D正确．题型二电容、电感在电路中的综合应用如图3所示，从AO输入的信号中，有直流电和交流电两种成分．图3(1)现在要求信号到达BO两端只有交流电，没有直流电，需要在AB端接一个什么元件？该元件的作用是什么？(2)若要求信号到达BO端只有直流电而没有交流电，则应在AB端接入一个什么元件？该元件的作用是什么？答案根据电容和电感对直流电和交流电的作用原理进行分析．(1)因为BO端不需要直流电，只需要交流电．故根据电容C有“通交流，隔直流”作用，应在AB端接入一个电容器C，该电容器对直流电有阻碍作用，能通过交流电．(2)因为BO端不需要交流电，只需要直流电．故根据电感L有“通直流，阻交流”的作用，应在AB端接入一个电感线圈，该线圈对交流电有阻碍作用，能通过直流电．拓展探究如图4所示，“二分频”音箱内有两个不同口径的扬声器，它们的固有频率分别处于高音、低音频段，分别称为高音扬声器和低音扬声器，音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混合音频电流按高、低频段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动．图为音箱的电路图，高、低频混合电流由a、b端输入，L1和L2是线圈，C1和C2是电容器()图4A．甲扬声器是高音扬声器B．C2的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器C．L1的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器D．L2的作用是减弱通过乙扬声器的低频电流答案BD解析这是一个实际应用问题，考查对电感、电容在高频、低频同时存在的电路中的综合作用．只要抓住基础知识点，就可进行综合分析．电路中的电感和电容作用可以简单概括为：电感——通直流，阻交流，通低频，阻高频；电容——通交流，隔直流，通高频，阻低频.1.如图5所示，L1、L2和L3是相同型号的白炽灯，L1与电容器C串联，L2与带铁芯的线圈L串联，L3与一个定值电阻R串联．当a、b间接电压有效值为U、频率为f的正弦交流电源时，三只灯泡的亮度相同．现将a、b间接另一正弦交流电源时，发现灯泡L1变亮、L2变暗、L3亮度不变．由此可知，另一正弦交流电源可能是()图5A．电压有效值仍为U，而频率大于fB．电压有效值大于U，而频率大于fC．电压有效值仍为U，而频率小于fD．电压有效值小于U，而频率大于f答案 A解析由题述中与一个定值电阻R串联的灯泡L3亮度不变可知，所接的另一正弦交流电源的电压有效值仍为U.灯泡L1变亮，说明与L1串联的电容器C容抗变小．由影响容抗的因素可知，这是由于正弦交流电的频率增大．所以正确选项是A.2．某信号源中有直流成分、交流高频成分和交流低频成分，为使放大器仅得到交流低频成分，下图所示电路中可行的是()答案 D解析A图放大器得到所有成分；B图放大器可得到直流成分，若为高频扼流圈也可得到低频成分；C图既可得高频成分也可得低频成分；D图通过C1的是高、低频都有，通过C2的是旁路电容让高频成分滤去，故D正确．3.图6如图6所示交流电源的电压有效值跟直流电源的电压相等，当将双刀双掷开关接到直流电源上时，灯泡的实际功率为P1，而将双刀双掷开关接在交流电源上时，灯泡的实际功率为P2，则()A．P1＝P2B．P1>P2C．P1<P2D．不能比较答案 B解析开关接在直流电源上时，线圈对直流没有阻碍作用，电能全部转化为小灯泡的内能．而当双刀双掷开关接在交流电源上时，线圈对电流有阻碍作用，因此电能除转化成灯泡的内能外，还有一部分电能与磁场能往复转化，因此P1>P2，故选B.4.图7一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接，如图7所示．一铁块插进线圈之后，该灯将()A．变亮B．变暗C．对灯没影响D．无法判断答案 B解析线圈和灯泡是串联的，因此加在串联电路两端的总电压一定是绕组上的电势差与灯泡上的电势差之和．由墙上插孔所提供的220 V电压，一部分降落在线圈上，剩余的降落在灯泡上．如果一个大电压降落在线圈上，则仅有一小部分电压降落在灯泡上．灯泡上电压变小，将使它变暗．故B正确5．如图8所示，图8白炽灯和电容器串联后接在交变电源的两端，当交变电源的频率减小时()A．电容器电容增加B．电容器电容减小C．电灯变暗D．电灯变亮答案 C解析电容器的电容是由电容器本身的特性所决定的，与外加的交变电源的频率无关，选项A和B是错误的，当交变电源的频率减小时，电容器充放电的速度减慢，电容器的容抗增大，电流减小，电灯变暗，故C对，D错．6．如图9所示，两位同学利用图示装置做实验，第一位同学使ab在导轨上匀速运动，第二位同学使ab在导轨上做变速运动，但两位同学对ab杆做的功一样多，第一位同学的方法使小灯泡消耗电能为W1，第二位同学的方法使小灯泡消耗的电能为W2，它们相比较()图9A．W1＝W2B．W1>W2C．W1<W2D．无法确定答案 B解析匀速运动时，产生的感应电动势是稳定的，感应电流也是恒定的，因此在线圈上不会产生感抗，所以通过小灯泡的电流大，消耗的电能多；当ab做变速运动时，产生的感应电动势是变化的，感应电流也是变化的，在线圈上产生感抗，使通过小灯泡的电流减小，因此消耗的电能少．故B正确．7．家庭用吊扇的电源采用220 V单相交变电流，电扇中电动机电路如图10所示，C为电容，L1、L2为定子线圈．吊扇使用了几年后，转速明显变慢，在电容C上并联了一只标有“2 μF，400 V”的电容后，吊扇转速明显变快了，试说明理由．图10答案在电容C上并联一只电容后，总电容变大，容抗变小，对交变电流起阻碍作用的容抗变小，线圈L中的电流变大，电动机转速明显加快．8．在电子技术中，从某一装置输出的电流既有高频成分又有低频成分，如果只需要把低频成分输送到下一级装置，只要在两极电路之间接入一个高频扼流圈就可以了．高频扼流圈是串联还是并联接入电路？图11所示的接法对吗？为什么？图11答案因为高频扼流圈自感系数较小，它有通低频、阻高频的功能，低频通过很容易，而高频很“费力”，但电阻让高频通过，所以高频就几乎不从高频扼流圈通过了．所以应串联，题中所给图接法不正确．9．使用220 V交流电源的设备和电子仪器，金属外壳和电源之间都有良好的绝缘．但是，有时候用手触摸外壳时仍会感到“麻手”，用试电笔测试时氖管也会发光，为什么呢？答案与电源相连的机芯和金属外壳可以看作电容器的两个极板，电源中的交变电流能够“通过”这个“电容器”，虽然这一点点“漏电”一般不会造成人身危险，但是为了确保安全，电器设备和电子仪器的金属外壳都应该接地．。