《电磁学通论》ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2015/6/15,#,第,七,章,交流电路,7.1,线性稳定电路的本征讯号,7.2,元件的阻抗与相位差,7.3,交流电路矢量图解法,7.4,交流电路复数解法,&,基尔霍夫方程组,7.5,谐振电路及其,值,7.6,交流电功率,7.7,变压器,&,三相电,一、基于,电路,传输变换,的眼光，论述了电路的线性和稳定性，及其本征讯号为简谐讯号，接着论述了准恒条件下准恒电路中出现的两类叠加关系，这些皆是建立交流电路方程的物理依据,；,二、基于,简谐量与矢量的对应、简谐量与复数的对应，而形成了交流电路的两种,解法,矢量,图解法,&,复数解法,，,关注频率特性,和特征频率，包括电压,频率特性，电流，阻抗和相位差，正是频率特性,导致了交流电路具有滤波、相移、旁路分流和谐振等实用,功能；,本章概述,三、对于谐振电路及其品质因数,的多重意义，对于交流电功率及提高功率因数的意义，均作了重点论述。,最后，对理想变压器的三种变比关系，对三相电从发电、输电到用电的优越性，作出简明介绍。,7.1,线性稳定电路的本征讯号,交变电讯号的多样性,简谐讯号系基元讯号,简谐讯号的特征量,基本元件及其线性和稳定性,电路的线性和稳定性,线性稳定电路的本征讯号为简谐型,交,变电讯号的多样性,（,a,）直流电路 （,b,）暂态电路 （,c,）交流电路,电路是由电源和元件组成、且通过导线而构成的一个闭合回路。当电源提供的,电动势为,周期性的交变电动势时,，该,电路为,交流电路。,可,按,电路的工作状态来划分，交流电路和直流电路均系,定态电路,，与其对立的是,暂态,电路。,交变电讯号的多样性,：,（,a,）简谐型 （,b,）锯齿型 （,c,）方垒型,（,d,）半波型 （,e,）梯型 （,f,）次波型,简谐讯号系基元,讯号,简,谐讯号是一种最基本的典型讯号，称其为基元讯号,。任意,线型的周期函数可以展开为，一系列特定幅值特定频率的简谐函数之叠加。比如,，,次波型,讯号可以,被分解,为：,其中,再叠加一个,5,倍频的小,讯号，,合成讯号十分,接近右图显示,的方垒型。,简谐,讯号,的特征量,简谐电动势,、简谐电压,和简谐电流,，其标准函数形式分别,为：,简谐型物理量特征量有三个,：,一是其峰值,（ ）,。,二是其相位或初相位（,）；,三是其角频率,。角频率,(rad/s),、频率,(Hz),和周期,(s),之间的换算关系为,我国,市电的,标准频率,为,50Hz,，即每秒,50,周或每分钟,3000,周，相应的角频率和周期分别,为：,我国广播电台的,载波频率标定为：,中波段,535 KHz 1605 KHz,；,短波,I,段,1 MHz,10 MHz,；,短波,II,段,10MHz,20 MHz,。,基本元件及其线性和,稳定性,交流电路中的基本元件有三种。一是,电阻,元件,；,二是,电容,元件,；,三是,电感,元件,。,凡电路元件的性能参数与工作电流,的数值大小无关，则称其为线性元件。三种元件,（,）,系线性元件，而晶体管或电子管系,非线性元件。,一,个电路在长时间工作过程中，由于电流的热效应及其引起的元件结构的热胀冷缩，使电阻值,、电容值,和电感值,稍有变化，这涉及元件性能的稳定性问题,。,简言之，我们讨论的交流电路是由线性且稳定元件组成的电路，泛称其为,线性稳定电路,。随后将从理论上普遍证明，线性稳定电路的本征讯号或基元讯号为简谐型讯号。,电路,的线性,和,稳定性,电路或传输系统，,可 抽象,地概括为一种,变换； 它,将一输入讯号,，变换为一输出,讯号，,即,也,称输入讯号为激励，称输出讯号为响应。,设,定义：,当同时,输入,，经电路变换而输出,的,若,满足线性叠加,关系：,即,则定义此,变换为,线性变换,，相应地称该电路为,线性电路,。,稳定电路：,若,一电路在一段时间的工作过程中，其传输性能不变，则称其为稳定,电路,.,数学定义：,设,若,或者是,若,则称此电路为,稳定电路,；,其中 为延迟时间,(,延时,).,稳定电路具有时间平移不变性,线性稳定,电路的本征讯号为简谐型,对一个电路或一个变换而言，若某种线型的讯号具有以下三个特征，则称该线型讯号为,本征讯号,，或称其为,基元讯号,。,一是，线型不变，同频响应。,比如，输入讯号为简谐型，而其输出讯号也是简谐型，且频率相同，只是幅值有变，相位不同（相移）；又比如，输入讯号为锯齿型，而其输出讯号也是同频锯齿型。,二是，独立传输，互不交混。,比如，输入讯号含有两种不同周期即不同,频率,，,且为同一线型的讯号，而输出讯号中仅,含,两种,成分，彼此间无交混无干涉，不出现混频讯号，,诸如 等,讯号,。,三是，许可分解，满足叠加。,这一条可作为以上两个特征的推论。人们探求一电路本征讯号的最终目的，就是将输入的复杂讯号，分解为一系列不同参数的本征讯号的组合，于是其总响应就等于各分响应之叠加。,对于线性稳定电路，其本征讯号为简谐型讯号。设输入讯号为简谐型，以复数形式表示，即,其响应分别为,再由电路的稳定性，得,于是,令 ，取,这个,关系式暗示,函数,的线型为一同频简谐型,，它,表明当输入,延时,，其对输出的影响仅在于添加一相移因子,；,惟有简谐函数才具此性能。,将该关系式改写为：,有,于是,即,由此可见，对于线性稳定电路，当输入为简谐型讯号时，其输出讯号仍为同频简谐型，即所谓,同频响应,。简谐型讯号理所当然地被确定为线性稳定电路的本征讯号或基元讯号。基于此，将任意线型的周期讯号分解为一系列不同频率简谐讯号的叠加，这一数学手段才有物理意义，或者说，这样处理才有物理功效。故，即将学习的交流电路理论，就是一简谐电路理论，其中传输的均为简谐讯号，即简谐电动势、简谐电压和简谐电流，所要探讨的电路问题就是这类同频简谐量之关系。,此外，,反映了电路的传输性能,。普遍而言，,电路的电压传输系数定义为,为一复数形式，可写成,其中，,反映,电压数值的变化,率，称,其为衰减系数,，,反映相位变化（相移）,； 通常,，两者与,频率息息相关,，,和,的,具体函数形式，取决于电路的具体组成。本征讯号的独立传输互不交混的品性，,可用,量给予明确描写：,7.2,元件的阻抗与相位差,元件的伏安特性,阻抗,&,相位差,基本元件的,几点,说明,元件的伏安特性,阻抗,&,相位差,凡,电路中的元件，人们关注其两方面的性能。一是其,伏安特性,，即其两,端电压与,其间,电流之,关系；二是其,换能特性,，即该元件中发生的,能量,转换性能。在交流电路中,，元件的电压,和电流为一同频简谐量,，表示为：,两者之关系,需两,个量才能给予完全描述。一,是两者,峰值之,比值,，被定义为,阻抗,；,二,是两者,相位之差值,，,直呼其为元件之,相位差,。,即，,交流电路中的一个元件，有两个,性能指标,.,交流电路中常使用有效值以替代峰值，比如电压,有效值和,电流,有效值；有效值,与峰值,之间,是一个简单的比例关系，被规定,为：,交流电压表和交流电流表其面盘上的指针读数系有效值。比如，市电标准电压为,220,伏，则其峰值为,有效值的引入源于电阻元件上所消耗的平均电功率的表达：,或,或,基本元件的,（,1,）电阻元件。,这说明：,对于纯电阻元件,阻抗,相位差,（,2,）电感元件。,这说明：,对于,纯电感元件,阻抗,相位差,（,3,）电容元件。,这说明：,对于,纯电容元件,阻抗,相位差,阻抗,相位差,电感,电阻,电容,几点说明,（,1,）这三种基本元件的,各有特点：,（,2,）,要特别,关注阻抗,的频率特性,。,对于电感元件和电容元件，仅给出其电感,值或电容,值，还不足以确定其在电路中的阻抗,值；频率越高，则电感阻抗（感抗）越大，而电容阻抗（容抗）越小。正是阻抗的频率特性导致交流电路的滤波功能、旁路功能，乃至谐振功能。,（,3,）,这三种元件均系集中性元件,，称之为,纯,元件。,纯,电阻,元件，,集中了电流的热效应；纯电感元件，集中了电流的磁场效应；纯电容元件，集中了电荷的电场效应。换言之，如此看待这类元件，忽略了分散于导线各处的分布电感、分布电容和分布电阻；这在低频条件下是合理的，如果工作频率,甚高，这等忽略就不许可了。,7.3,交流电路,矢量图解法,叠加问题,准恒条件,&,准恒电路,两类叠加,关系,简谐量与矢量对应,矢量图解法大意,RC,组合滤波功能,RC,组合相移功能,RC,组合旁路分流功能,例题,估算分流比的频率特性,测定实际电感元件的,讨论,RC,串联与,RL,串联组合的并联电路之电压分配特点,叠加问题,两个元件,和,串联时,，总电压,等于,与,之叠加,.,求解思路：,将,两个串联元件等效于一个,元件,求出,与,、,之,定量,关系。,两个,元件并联时，,总电流,等于,与,之叠加,.,求解思路：,将,两,个并联,元件等效于一个,元件,求出,与,、,之,定量,关系。,注：,处理两个或两个以上同频简谐量叠加的数学方法有两种，即矢量解法和复数,解法。,准恒条件,&,准恒,电路,上述两种电路所,显示的电压或电流叠加关系，承袭了恒定电路,的关系,，即认为交流电路中，,或,的,瞬时分配规律雷同于恒定电路那样。其实，这是有理由被怀疑的,长度,为,的支路上，串联有两个,元件。,其左端,a,处,电流设,为,，右,端,b,处,电流设,为,。我们知道，,电流自,a,处,的传播,到,b,处,是需要,时间的,，因为电磁场,传播速度是有限的。,即，,对于交变电,讯,号而言，其特征时间尺度就是其周期,T,当,，,则意味着,左端,a,处几乎,即刻传播,到,b,处，,以致,电流,与,同,值同步交,变。,故,称,为,准恒条件,，满足准恒条件的电路称为,准恒电路,。,按准恒条件估算准恒电路的高频上限值,。设,电路长度,100,cm,，,且,cm/s,，估算出此电路中讯号传播,特征时间，,取交变讯号准恒周期下限,50,倍,于,，即,这一频率值处于我国收音机短波段。至于市电,50Hz,，远远,小于,值，故其交变电路具有甚好的准恒性；即便传输距离,长达,10Km,市电,50Hz,也还是远小于相应的准恒频率上限,。,两类叠加关系,目前,研究的交流电路,都,是线性不变的准恒电路，这是建立交流电路方程的依据。,在这类交流电路中存在两类叠加关系：,一类是电路输入讯号与输出讯号之间的叠加关系。,另一类是交流电路内部各段电压之间或各路电流之间的叠加关系，,串联：,并联：,前一类叠加关系基于电路的线性，后一类叠加关系基于电流的准恒性，而电路的时间不变性，保证了简谐讯号为电路传输中的本征讯号或基元讯号。因此，上述两类叠加在数学方法上均归结为若干同频简谐量的求和，这有两种运算方法，即矢量图解法和复数解法。,简谐量与矢量,对应,在,角频率给定,时，一简谐量有两个特征，,即幅,值和初相位，而平面上一个矢量也有两个特征，即其长度和方向。让两者对应起来，以简谐,电压为,例，其对应关系如,图所,示，令电压,矢量之,长度等于电压幅,值，,令电压,矢量之,方向角等于初相,位，,即,同样，用一电流矢量,对应一简谐电流，即,矢量图解法大意,两个元件串联时，其总电压,与分电压,之关系已,由前面给,出，相应地总电压矢量,与分电压矢量,之关系由矢量合成图给,出：,借助于平面三角学中的余弦定理和有关知识，,为相干项，其中相位差起着重要作用。,时，,时，,时，,注意到总,阻抗,，,而,， ，这里,为串联一路的共同电流，则,：,一般而言,，,，仅,当,时,，方,有,。不过，分电压之比值等于分阻抗之比值，在串联交流电路中依然成立，,即：,对于并联电路，,可画出类似的电流矢量图，,遂,得,:,相应地，并联总阻抗与分阻抗之关系为,对,于,交流,并联电路,两支路电流幅值之比等于分阻抗之反比,这是因为并联时，其两端电压是共同的，,即：,RC,组合滤波功能,RC,串联组合具有低通滤波功能,如,图可得，串联电路的输入,电压幅值,和相位,值分别,为：,相应的阻抗关系,为：,电容输出电压,与电阻输出电压,之比值,：,这表明，频率越低的电压讯号将有更大比例从电容输出，或者说，,从,C,输出的,以低频为主，,从,R,输出,的,以,高频为主，故称,RC,串联组合具有低通滤波功能,以电压传输系数,描述,其低通滤波功能，则,可见，,频率越,低，则,值,越高；,当,，,则,，即输入的直流电压全部降落在电容两端，人们形象地称电容,具有“隔直流”的功能,。,用电感,替代电阻,，而形成,LC,串联组合，将具有更为明显的滤波功能，其两个分电压幅值之比,为,:,RC,组合相移功能,输出,与输入,之间具有相位差,，,称,为,相移,量。,当 ，,甚高频情形，有,；当,，甚低频情形，,有,；当特定频率,，,利用,RC,组合一级相移功能，可进一步形成多级相移，可使输出,与输入,之间相移,，从而,设计出正反馈线路,，制成相移,振荡器，它是一种特定频率可调的讯号发生器。,RC,并联组合旁路分流功能,RC,并联组合如,图所,示，相应的电流,矢量关系式有：,总,电流：,总,阻抗：,分流：,分流,比：,可见，分流,比正比于频率,。,时，,有,。电容一路电流远大于电阻一路，称,RC,并联电阻具有高频旁路功能,，意指高频成分的电流主要从电容支路通过，有时干脆称,C,为,旁路,电容。,例题,估算分流比的,频率特性,针对一,RC,并联电路，设其输入电压幅,值,，电阻 电容 ，,试分别算出频率,f=,50Hz，500Hz,和5KHz,时的电流幅值 。,先算电阻,线路,的电流。,（与,频率,无关）。,再计算,电容线路,的,电流：,相应的总电流幅值,或,850.5mA,或,8.5A,；,对应的分流比分别为,：,测定实际电感元件的,实际电感元件并不单纯，它含绕线,电阻,r,，以及相应的焦耳热耗散，在电路中可用一纯电感,与纯电阻,的串联组合来等效一实际电感元件。故，对于一个实际电感元件应有,两个性能,参数 ，,它俩决定着该电感元件的品质。拟可,选择,如,图所,示的实验方法来测定,。,应用余弦,定理：,最终给,出,值的推算公式为,：,得,又有：,电感,电阻,品质因数,【,讨论,】,一,RC,串联组合与一,RL,串联组合的并联电路之电压分配特点。,参见,图，设,其总电压为,，,在两支路,中点,c,、,d,间跨接一个交流电压表，以观测,电压,随可调电容,的变化；当出现跨接电压,为,极大值时，试求其,电容,，,已知,。,7.4,交流电路复数解法,&,基尔霍夫方程组,复数,简谐量与复数对应,复电压,&,复电流,复阻抗,电阻,&,电抗,基本元件及其组合的复阻抗公式,复数基尔霍夫方程组,例题,两级,RC,滤波与相移电路,讨论,LRC,并联组合的两个特征频率,复数,复平面上一点定义一复数,:,指数,式表示,:,复数两种表示中的两组特征量,和,，其换算关系为,:,三角函数表示法：,比如，,简谐量与复数对应,复数有两个特征量，即模与辐角；而简谐量也有两个特征量，即幅值与相位。两者匹配，可以建立一种对应关系如下：,模,=,辐值，,辐角,=,相位,即,简谐量,复数,对应的运算操作,，,比如，两个同频简谐量的叠加，对应为两个复数的求和，即,直接用两个复振幅的求和，表达合成复振幅，有：,复数算法的优越性充分显现于对简谐量的微分或积分运算中：,微分,积分,相当于算符的对应变换：,实数域,实数域,复数域,复数域,这样一来，就有可能将有关简谐函数的微分方程或积分方程，转化为复振幅的代数方程予以求解，其优越性不言而喻。,与简谐电压,对应的复电压函数为：,复电压,&,复电流,复电压,同理，与简谐电流,对应的复电流函数为：,复电流,对于交流串联电路，因其复电流是统一的，其总电压等于各段电压的叠加关系，就被表达为：,对于交流并联电路，因其复电压是共同的，其总电流等于各支路电流之叠加，可被表达为：,复阻抗,电阻,&,电抗,交流电路中的一个元件，具有两个参数,，不妨令它俩组成一复数，称之为复阻抗，用符号,示之，即：,其中，阻抗和相位差的原本定义是,故，复阻抗,的定义式被展开为,复数欧姆定律：,交路电路中一元件的复阻抗与其复电压和复电流之关系，具有类似欧姆定律的简单形式。,或,交流电路中一旦所有元件的分布及其复阻抗给定，则这电路的解便可确定。故确定基本元件和基本组合的复阻抗公式，是颇为必要的。首先给出串联组合或并联组合的复阻抗一般性公式。若三个元件,串联起来，则其总阻抗为：,若这三者并联起来，则其总复阻抗满足以下关系：,取,之倒数，,，,被称为复导纳，以表达上式较为简单，即并联复导纳公式为,复阻抗是一复数，它在复平面上就有相应点。取其实部,和虚部表示复阻抗为：,称实部,为电阻，称虚部,为电抗。,与 之间的换算关系为：,基本元件及其组合的复阻抗公式,或,“电容性”,“电感性”,“电容性”,其相应的特定频率为,也有“三性”，何种条件，值得讨论。,复导纳,复数基尔霍夫方程组,对于任意一节点，其电流方程为,：,对于任意一个回路，其电压方程为,凡经电感,每段复电压,的具体表达：,凡经电容,凡经电阻,凡经电源,前面正负号选择的原则是，顺,方向取正号，逆,方向取负号。,例题,两级,RC,滤波与相移电路,一个两级,RC,电路如图所示，求其电压传输系数，,其回路复电压方程组如下：,经整理,解出,输出电压为,复电压传输系数为：,（,1,）电压比的频率特性。,随频率增加其输出电压递降，此电路具有低通滤波功能。对于某一特殊频率。,（,2,）相移量的频率特性。,在特征频率邻近出现阶跃,.,交流电桥,交流电桥一般结构,交流电桥的一般结构如图所示，其四臂元件之复阻抗设为 ，桥路中串接一灵敏电流计，用以检测桥路电流,是否为零。交流桥的平衡指标为,即,或,这里,0,点选定为电势参考点。交变电压 与,必须时时相等，电桥,方可平衡；这不仅要求电压幅值相等，而且要求两者相位一致。,将桥路断开，有,令,得,称其为交流桥的平衡条件，它表明交流桥四臂之阻抗应当匹配，以满足该式而达到平衡，此时电流计示零。这一复数等式包含两个实数方程。,（阻抗匹配条件）,（相位匹配条件）,如果四臂元件选配不当，无论怎样调节其参量，也将无法使电桥达到平衡。右图所示电桥便是如此。其症结在于那相位匹配条件，原则上是否可能被满足。对于该电桥的四个元件，其相位取值符号为：,例题,测定介质电容器的漏电阻,由于诸多原因，电容器中的介质并非绝对绝缘，比如，材料中混有杂质，或填充介质时混进气泡，以致工作时有些许电流通过电容器，称其为,漏电,，在高电压或湿热环境中，这漏电就将加重。在电工学中，测定实际电容器的 是必要的，,这里,r,为漏电阻。如图所示的交流电桥，其四臂复阻抗分别为：,其复阻抗匹配方程为：,即,得,(,实部相等,),；,（虚部相等）,最终测出该电容器的两个性能参数及其损耗因数，,电容,漏电阻,损耗因数,【,讨论,】,LRC,并联组合的两个特征频率,如图，一个含电阻的电感元件,与一电容并联。试讨论：,（,1,）四个参量,为怎样的定量关系时，该组合呈现电容性，或电感性，或电阻性。,（,2,）求出其复阻抗之相位差为零时的特征频率。,（,3,）求出其阻抗为极大值时的特征频率。,7.5,谐振电路及其,值,串联谐振电路,&,定态解,频率特性,谐振电路的品质因数,谐振峰的通频 带宽度,谐振电路储能与耗能之比值,无源,LRC,电路的对数衰减率,谐振系统,Q,值的多重意义,并联谐振电路,电流谐振,&,电压谐振,通过,，将上式转换为：,串联谐振电路,&,定态解,串联谐振电路如图所示，该电路微分方程的原始形式为：,这是一个标准的二阶线性常系数非齐次的微分方程，其齐次方程之通解均为衰减型函数，它系非定态解,，,已在第,6,章,6.5,节,LRC,暂态过程中讨论过；眼下关注的是其定态解，此乃非齐次方程的特解。,有理由预设其特解具有同频余弦型函数形式，,凭借简谐量与复数的对应及其算符的对应变换：,可将上式转化为复函数的方程如下：,相应的解为,实电流幅值及其初相位为,复电流也可由串联复阻抗之公式，而直接求得，,还可以采用矢量图解法予以求解，以电流矢量为水平基线，三个分电压矢量分别为，,垂直向上，,垂直向下，而,沿水平方向。于是，总电压幅值,与,之关系为,即,频率特性,本电路的频率特性，集中体现在以频率为变量的三个函数上，即电流幅值,，阻抗,和相位差,，相应的三条频率响应曲线（频应曲线）显示于右图，其特征择要如下。,（,1,）令人注目的谐振角频率,。,电流随频率的变化并非单调，当,出现电流极大值,，阻抗极小值,；称,为电流谐振峰，谐振一词或谐振电路之命名源于此。,由上式得谐振角频率和谐振频率公式，,比如，,则,；若 则,。,（,2,）电流峰值,&,阻抗谷值。,在谐振频率处，电流峰值和阻抗谷值分别为,此处,（,3,）电流谐振峰的锐度。,从图中看到，当电阻,减少，则电流峰值越高，且,曲线显得越尖锐。,（,4,）总之，当频率,，此,LRC,串联组合宛如一纯电阻那样，这源于感抗等于容抗,，以致电压,与,两者幅值相等，而相位差彼此恰巧抵消；于是，,，包括幅值与相位均相等，即,，,。,LRC,串联组合的这一品性，在曲线,上显得更为清楚：,电感性：,电容性：,纯电阻性：,当,则,当,则,当,则,当,当,谐振电路的品质因数,电路出现谐振时，四个电压幅值之关系为：,当感抗,大于或远大于电阻,R,时，电压,、,就将大于或远大于总电压,或电动势,；兹将电压之比值,定义为谐振电路的,品质因数（,quality factor,），,用符号,Q,示之，即,或,得,一串联谐振电路中，,，前已算得,，于是其品质因数值为,将该组合连接于,=25V,的交流电源，则达到谐振时，,在进行交流电路实验时，要注意其局部电压可能大于或远大于总电压。局部可以大于整体，此乃相干叠加场合常见的一种物事。,谐振峰的通频带宽度,在交流讯号传输场合，人们关注谐振峰的锐度。为此引入通频带宽度,一量，用以反映谐振峰的锐度，言下之意，频率在,以外的输入讯号，该电路所响应的电流值显著下降而变得甚弱，如图所示。通频带宽度被定义为,且满足,据此导出关于,的一个公式如下,令,即,有,遂得,化简为,最终得：,以,与谐振频率,之比值，来考量通频带性能更有意义。,这表明谐振电路,Q,值越高，其通频带越窄，谐振峰越尖锐，它对外来讯号的频率选择性也就越好；对于接收广播电台电磁波的收音机而言，就不易串台。然而，峰值过分尖锐，可导致收音机的音色不够丰满，音质下降。如何选择合适的,Q,值，要视不同用场予以酌定。比如，对于收音机中的谐振元件称为中周变压器而言，选择,左右为宜；如是，则此收音机便可以将电台发射的载波讯号，其频宽约为音频范围,，完满地予以接收。,谐振电路储能与耗能之比值,在 三个元件,之中，电感和电容系,储能元件,；而电阻元件始终为,耗能元件,。可以通过储能与耗能之比值来度量谐振电路在能量方面的品质。其总储能，,当,，电路处于谐振。,（与时刻,t,无关）；,在交变一周期过程中，电阻的耗能为,:,两者之比值为,无源,LRC,电路的对数衰减率,先给电容充电，尔后合上电键，则电容放电而电感充磁，同时电阻耗能，可以预料该无源,LRC,电路的解呈现衰减函数形式，在低阻尼情形下，,将呈现衰减振荡，而并非单调下降，其解为,当,在极低阻尼条件下，有,当,为LRC串联电路谐振频率，相应的谐振周期为 引入对数衰减率一量，用以度量相邻两个幅值的比率,即,Q,值越高，幅值衰减越小，这乃是预料中的事，因为电阻,R,值越小，则耗能就少，而电感,L,值越大，则储能就多。,谐振系统,Q,值的多重意义,品质因数,Q,值具有多重物理意义，谐振电路诸多方面的品质均与,Q,值直接相关，或正比于,Q,值，或反比于,Q,值，而这些品质正是实际上所关切的。,对于谐振系统及其,Q,值，尚有三点值得指出。,（,1,）,谐振系统是物理世界中一类重要系统,。比如，眼前的谐振电路，力学中的受迫振动系统，乐器中的共鸣腔，激光器中的光学谐振腔，光谱学中的共振吸收；还有，凡电视机、收音机或雷达接收站等这种电磁波接受系统中，皆有谐振功能器件作为其核心器件之一。面对任何一种谐振器或谐振系统，首当其要的是其谐振频率及其品质因数,Q,值，关注,Q,值取决于哪些因素，因为由其,值便可推定该系统的所有品质。,（,2,）,究竟如何定义,Q,值，这可以有不同的选择。,在谐振电路中，选择谐振频率点,时的电压比或电流比，作为,Q,值的定义式最为直观和实用，进而导出其它物理量比率与,Q,值之间的简单比例关系。其实，选择上图中任何一个比率作为,Q,值的定义式，均可导出其它三个比率与,Q,值之间的简单比例关系。换言之，从逻辑程序上看，上图表中显示的四个比率中各自之地位是等价的。,（,3,）,无疑，选择储能与耗能之比值，作为谐振系统品质因素,Q,值的定义，具有更为广泛的适用性,。如此便不受制于电压电流概念，而通用于其它非电路式的谐振系统，因为能量概念相当普适。当然，这种定义方式也适用于谐振电路。,并联谐振电路,（,a,）并联谐振电路，,（,b,）电流矢量图，,（,c,）支路电流自行循环,并联谐振电路三条频应曲线,（,1,）频率特性。,其电流幅值,、阻抗,和相位差,的频应曲线，显示于右图。当频率为,，出现电流极小值，即,，同时阻抗出现极大值；而当频率为,时，相位差,，此时该电流呈现纯电阻性，其电压与总电流同步交变，相位之差为零。,（,2,）两个谐振频率。,注意到,并联谐振电路，存在两个特征频率,和,，不妨称呼,为阻抗谐振频率，称呼,为相位谐振频率，两者并非同值略有差别。若无特别声明，其谐振频率指称,，在这,频率点上，该电路既非电容性亦非电感性，而表现为纯电阻性。,（,3,）运用矢量图解法。,该电路的电流矢量关系如图。在电压,U,给定条件下，从电流矢量图中获知，,对支路,的电流矢量,作正交分解为,，其中，,而总电流幅值为,（,4,）求出相位谐振频率,。,令,，则总电流矢量,与电压矢量,方向一致，且,，表现为纯电阻性。据此，有,当,得,即,当,令,，成为无阻尼的理想情形，则以上近似式均过渡为严格的等式，即,（,5,）分支电流与总电流值之比值。,在谐振频率点处，考量分支电流与总电流,之比值,此比值被定义为并联谐振电路的品质因素,Q,值；电阻,r,值越小，则,Q,值越高，分支电流则更大于总电流,.,比如，设,，且,，则电容支路电流,而电感一路的电流为,支流远大于总流。惟有一种可能，即支流环行于,自身回路，形成一幅电流自我循环图像，如图所示，这正是,与,相位差,的体现，而对总电流,有贡献的仅是,，其幅值,或,，当,Q,值很高时。说到底，这种支流分配特征根源于,并联组合含有两个性质相反的储能元件,，一者充、放磁能，另者充、放电能，彼此交流，互相转换而循环不已。,电流谐振,&,电压谐振,对于 串联谐振电路，由于其阻抗,出现极小值，因而其电流出现峰值，故称其为电流谐振。对于,并联谐振电路，由于其阻抗,出现极大值，因而在与其它电阻或电源内阻串联而分压时，它将获得极大电压，故称它为电压谐振。曾记得，在力学受迫系统中，有所谓速度谐振与位移谐振之别；如果将谐振电路与它作类比的话，那么串联谐振类似于那速度谐振，而并联谐振类似于位移谐振。顺便提及，在电磁讯号接受和传输的电子线路中，常用（,LrC,）并联组合作为负载，以获得特定频率,的极大电压讯号，而实现选频，再耦合至下一级放大器。,7.6,交流电功率,瞬时电功率,平均电功率及其计算公式,有功,&,无功,提高功率因数,元件,Q,值,&,介质损耗角,瞬时电功率,电功率等于其电流与电压的乘积，这一关系是普遍成立的。在交流电路中，为任意元件提供的瞬时电功率为，,其结果为,瞬时电功率呈现周期性变化，且频率加倍（倍频）,平均电功率及其计算公式,交流电的平均电功率,(,有效值,）,与 之相位差 ，对平均电功率有显著影响，称因子 为功率因数。对于三种基本元件：,电感,电容,电阻,由此可见，电感或电容系储能元件，在交变一周期时间内，电感或电容有半周期是吸收能量，以磁场能或电场能形式储之，有半周期是释放其能量，与电源反复地进行着可逆的转化，并不耗能；而电阻则是单纯的耗能元件，它将电能单向地转化为焦耳热能。鉴于所讨论的交流电路仅涉及三种基本元件,，故其任意组合元件的相位差取值范围,，则功率因数,，,即，功率因数不会出现负值。,结合复阻抗下列三种表达式，,演化出计算平均电功率的其它三个实用公式如下，,这里，,r,为电阻，系复阻抗的实部；其虚部,为电抗，它并不直接显示于平均电功率公式中，因为它反映的是与电压相位差,的那个电流分量，这对平均功率无贡献。,有功,&,无功,一元件电压矢量,与电流矢量,，其间夹角为其相位差,值。不妨将,作正交分解为,对于平均电功率作出贡献的正是其平行分量,故称,为有功电流，称,为无功电流，而通过该元件的实在电流或称工作电流为,相应地，由,构成了两种成分的电功率，,有功功率；,无功功率；,视在功率。,且定义,于是，,故,、,和,三者构成一个功率三角形，如图。有意思的是，在电工学中对这三者的单位分别称谓为，,，“瓦”；,“,乏”；,“,伏安”。,所有电机包括发电机和电动机，其铭牌上标明的是其伏安数，即视在功率值，至于其有多少比率称为有功功率，取决于那场合的功率因数,。,提高功率因数,对电力工程或电气设备而言，功率因数,，是对电能的一种浪费。电力工程系统，从发电、输电、配电直至用电，均系大功率电能的传输和转换，其宗旨是将电能充分地转换为热能、机械能和化学能等等；而功率因数,，使这类电能转换效率降低了，因此，在电力系统的各个环节均要设法提高功率因素，以减少电能的无为损耗和电源的无为负担，从而提升了电能的有效利用率。对此稍加详细说明如下。,一电感性电器比如一支日光灯，工作于市电,50 HZ,、,220 V,，其中，,L,为用以触发和稳定电流的镇流器亦称扼流圈之电感，,R,为灯管内气体放电发光的等效电阻,其功率因数是比较小的，,有功电流,无功电流,普遍而论，实际工作电流可表达为,在工作电压和平均电功率一定的情形下，,与,之间呈反比关系；提高,值，可显著地减少,值，正如上述日光灯一例；尤其对于电网中的高压线，其传输路程很长，若能减少工作电流必将显著地减少沿途传输线的焦耳热耗散和电压损失，这都是有利的。,再从发电方面考量提高功率因数的意义。拟将发电机组，连同其升压变压器并称为发电设备，其对外所供电压由设计确定，比如,110 KV,，或,220 KV,，而其可允许的最大工作电流,即额定电流也由设计确定，比如,100 A,，或,200 A,；两者之乘积则为这台发电设备的设计发电能力（伏安数），也就是其视在功率,，而它工作时实际发挥的平均电功率即有功功率的最大值为,即,在视在功率给定情形下，,与,之间呈正比关系；或者说，实用最大电功率（,W,数）与设计发电能力（,VA,数）之比值正是功率因数。,元件,值,&,介质损耗角,对于不同类型或不同用途的交变电器，人们对功率因数值有着不同倾向性要求。诚如前述，在电力系统和电气设备中，期望,值大，以求得有功功率,占有更大比率，最大限度地实现电能转换为其他形式的有用能量，此场合视无功功率,为损耗。而在电子线路中，期望,值小，以求得,占有更大比率，最大限度地实现电讯号的有效传输和变换，比如，滤波、相移、放大和振荡，此场合视,为损耗,对功率因数的不同要求。（,a,）在电气设备中，（,b,）在电子线路中。,以电阻、电抗和电流，,表达,、,为,为体现对无功功率,的注重，特引入一元件的品质因数,，它被定义为,对于实际电感元件,或电容元件,，其品质因数公式为,或,对于实际电容器，可以,串联或,并联等效之，而其 值表达式是相同的。,一元件品质因数的对立面是其损耗（因数），用损耗角,之正切,给予度量，图中功率三角形显示，,对于一个漏电的平行板介质电容器，其电容和电阻可表达为,其损耗因数为,一元件的损耗因数与介质电性参数,直接对应，两者之间呈简单的正比关系；称,为,损耗角,，称,为,介质损耗因数,。对于一般介质，,。,7.7,变压器,&,三相电,变压器工作原理,理想电压变比公式,功率传输,&,电功率守恒,三相交流电的产生,&,输送,三相电产生旋转磁场,理想变压器及其等效电路,理想电流变比公式,阻抗变换,&,阻抗匹配,三相负载的联接,Y,型,&,形,变压器工作原理,变压器的工作原理就是电磁感应中的互感效应。在交变电动势,作用下，,1,回路中产生交变电压，交变电流和交变磁通，即,；通过铁芯的强耦合，在,2,回路中产生交变磁通,.,经如此变换，输出电压和电流,，而实现变压或变流。,在忽略漏磁条件下，原线圈的自感和匝数,和副线圈的,以及互感,的定量关系为，,理想变压器及其等效电路,变压器等效电路如图，考量其电压比或电流比。在输入回路,中，复电压和复电流设为,，在输出回路中有,，其间由互感系数,耦合之。注意到，该等效电路,回路中未显示有电阻,，这意味着它忽略了内部一切焦耳热耗散，包括绕组导线的电阻亦称铜损，铁芯的涡流损耗和磁滞损耗亦称铁损。,在变压器设计理论中，将这类三无变压器，即无漏磁，无铁损和无铜损的变压器，称为,理想变压器,，其性能为设计实际变压器提供重要依据。,理想电压变比公式,等效电路中四个黑点位置及其字母,、 。其感生电动势 和 分别为,为任意一匝的交变磁通，因为无漏磁， 均同值。相应的端电压分别为,于是，得到理想变压器的电压变比公式，,或,理想电流变比公式,显然，输出电流,与负载,有关，且,反过来又影响着输入回路（,1,）中的电流,。,先讨论空载情形，即,。这时，（,2,）对（,1,）无互感效应，（,1,）独成回路，情况就简单了，其电流仅决定于端电压,，,或,这里，,被称为空载电流，亦称为励磁电流，其意为在空载无电功率输出时，初级回路中依然有电流,，以激励磁场待用。,由于自感,1,值很大，励磁电流是很小的；一个演示空载电流的实验如图所示，先让,2,中电键,断开，当,(,1,),中电键,合上时，灯泡,灯丝就发红，发光徽弱；合上,，灯泡,发光，而灯泡,变得明亮；再合上,，灯泡,则更加明亮，这说明,(,2,),中,明显地影响着,，且随,同步增长。这里，,为,(,1,),的端电压，决定于交流电动势,，在忽略电源内阻的条件下，,维持不变而成为一恒压源，与,(,1,),工作状态无关，这一点在下面讨论中要用到。,有载,情形。在,(,1,),回路中列出复电压方程，,注意到空载电流甚小，而有载电流,，作近似 ，最终求得理想变压器的电流变比公式：,即,（恒压源）,功率传输,&,电功率守恒,从功率传输方面考量回路,(,1,),与,(,2,),中的电功率之关系。得，,即,或,矢量图所显示的,与,反向，,与,反向，以致,，即输出电压与电流之相位差,，等于输入电压与电流之相位差,，于是,这表明从回路,(,1,),到,(,2,),的功率传输满足守恒关系，包括有功功率守恒，无功功率守恒和视在功率守恒,比如，焊接金属的电焊机，其所需低压电源是由一降压变压器供给的，它将,220V,降为,10V,或,6V,，即,，则 据功率守恒，得,；又比如，真空电子器件显像管，,光机之类，其所需高压是由一升压变压器供给的，它将,220V,升至几千伏或几万伏，即,，则,。故，在变压变流专业场合，常言道：,高压小电流，低压大电流,。这里，高、低、大和小，均是针对输入与输出相比较而言，此乃功率守恒所使然。,阻抗变换,&,阻抗匹配,变压器输入等效电路，如图,(a),所示，其中空载电流 得以保留，而等效阻抗,与负载,息息相关，两者之关系可由电压变比公式结合电流变比公式而导出，在忽略,条件下，参见图,(b),，有,等效阻抗,，亦称为反射阻抗，意指它是输出回路中的实际负载，映射到输入回路中的等效负载。阻抗变换公式可应用于阻抗匹配，以求得讯号源的最大输出功率。,例题,扬声器的阻抗匹配,参见图。设讯号源的电动势,=,6V,，内阻,，而扬声器的电阻仅为,；若将扬声器直接联在讯号源上，则其所获得的使用功率为,配用一个耦合变压器，以变换阻抗为,，使,等于或近于内阻,，便可获得最大或较大的使用功率，试设计,匝，,匝，则,三相交流电的产生,&,输送,三相交流发电机的核心装置如图,(a),，其心脏是一高速旋转的磁体，每分钟,3000,转；在这旋转磁场的激励下，其周边三组被对称安置的线圈（绕组），分别产生了三个感应电动势， 三者峰值相等，频率相同，相位差依次为,，如图,(b),所示，可写成，,这三个交流电源采用三线四线制对外输电，如图,(a),，将三个绕组的对应端点结合为一处，其引线称为中线，俗称地线；三个绕组的另外三个端点，独立地向外引线,A,B,和,C,，称其为端线，俗称火线。于是，产生了两组共六个端电压，一组为,和,，称为相电压，用,表示其幅值；另一组为,和,，称为线电压，用,表示其幅值。简言之，火线间之电压为线电压，火线与地线间之电压为相电压,三个相电压之相位差依次为,，故在电压矢量图中，这三者构成一个正星形，如图所示。在矢量三角形中，,即,这正反映了线路中这三个实际电压之关系,电压矢量图表明，线电压与相电压的数值关系为,线电压,，则相电压,；,线电压,，则相电压,。,三相负戴的联接,Y,型,&,形,使用三相电源时，其负载可有两种联接方式，星形联接（,Y,形）和三角形联接（形），如图,(a),和,(b),。对于这两种联接方式需要考量的问题是其电流关系。为此，首先交代两个名称术语：通过火线的电流称为,线电流,，以,表示其幅值；流经负载的电流,称为,相电流,，以,表示其幅值。,星形联接,.,相电流无异于线电流，即，,而接地中线电流为,。（应用基尔霍夫节点电流方程）,当三个负载相同,，称其为对称负载，这是特殊情形，比如，负载为电动机，其内部三个绕组几乎相同。此时，上述三个相电流之相拉差依次为,，且数值相等，故其合矢量,为零，则,，此时接地中线无电流。,当三个负载不同，称其为非对称负载，这是一般情形，则三个相电流不等，且其间的相位差也不再维持为,关系，,对于星形联接，一旦接地失灵，则三个相电压严重失衡,一旦中线接地失灵，则节点之电势将不再保持为零电势，这导致三个负载的电压可能严重失衡，这种现象称为相电压漂移，而三个线电压依然由电网控制，维持等值,380V,，且相位关系为,。于是，加于负载的实际电压可能严重偏高正常使用电压,220V,，或高或低。比如，图中显示,三角形联接,.,三个线电流与三个相电流的关系为,在对称负载,情形下，三个相电流的数值相等，,而三个线电流的数值亦相等，且,倍于相电流，参见电流矢量图，即,三角形联接对称负载时六个电流之矢量图,电动机的接线方式,(a),选择星形联接，,(b),选择三角形联接，,(c),倒向电闸,电动机其内部有三个绕组作为负载，当选择星形联接，它仨在,220 V,下运行；当选择三角形联接，在,380 V,下运行。在电动机之机壳铭牌上，显示有六个接点，以便用户选择联接方式。还有与使用电动机配套的一个倒向电闸，以便用户选择电动机的转动方向或顺转或逆转。,三相电产生旋转磁场,参见图，在三相感应电动机的核心装置中，有三组对称布局的线圈，,将它们联接于三相电源，便在中心区域分别产生三个磁场,。,于是，中心区域的总磁场为,（针对中心点,O,）,）,或,鉴于对称负载时其三个相电流的幅值相等、频率相同，仅依次相位差,，故可将对应的三个磁场表示为如下形式，,考虑到这三者的空间取向有异，不能简单地采用矢量图解法求其和。兹采取正交分解，分量叠加的方法演算之，,接着，可以借助平面三角学中和差化积的公式求出总磁场的两个分量，,对于三个同方向同频率的简谐量之叠加，可以采用复数法或矢量法求解，,其解最终表示为,电动机三个绕组的交变相电流所产生的磁场,为一旋转矢量场，其矢量长度和旋转角速度为,（三相电角频率）,.,电动机中心区域安置绕组作为转子，它在旋转磁场,激励下，随之转动起来，且与,转向相同，这是电磁感应定律和楞次定则的必然结果。具体地说，驱动转子的力矩是转子绕组中的感应电流，受到磁场,施予的安培力所致。当然，转子的角速度,不可能加速至,，否则，两者完全同步，无相对运动，就无感应电流和安培力；此时，由于摩擦阻力，转子就慢下来，自动调整为以略小于,的角度而稳定转动。,发电机，依靠旋转磁场而产生三相交流电，实现了机械能转化为电能；经远程传输到电动机，依靠三相电产生旋转磁场，使转子运动，实现了电能转化为机械能。从发电、输电、配电到用电，充分地显示了三相电的优越性。正如常言所道，,三相电三相电，输电省电线，用电亦方便，旋转磁场来产生，电变机械好实现。,