交流电路与直流电路有哪些不同？

交流电，主要是指正弦交流电；直流电，主要是指恒定电流。直流电路中只有电阻起阻碍作用，电容是断路，电感不起作用。交流电路中起阻碍作用的除了电阻以外，还有电感和电容，电阻与频率无关，而电感和电容的阻碍作用（感抗和容抗）都与频率有关。

更重要的是它们对相位的影响：纯电阻电路中电流与电压同相位，纯电感电路中电流落后于电压 90°，纯电容电路中电流超前于电压 90°。电感与电阻串联的电路，电流落后于电压，相差小于 90°。电容与电阻串联的电路，电流超前于电压，相差小于 90°。

交流电路，指的是用交流电源提供交变电动势而产生交变电流的电路，由于使用最多的是正弦交流电，因此一般说的交流电路，指的是正弦交流电路，如果不是正弦交流电，需要予以说明。直流电路，指的是使用直流电源供电的电路，以常用的化学电池为例，在短时间使用时，它具有确定的电动势和内电阻，如果电路的结构和元件都保持不变，则电路中流过的电流是恒定电流，我们中学所讲的直流电路，主要是指通有恒定电流的电路，我们也定性地讨论电路接通及断开后短暂过程中的变化情况。

一、直流电路中的电阻、电感和电容

在通有恒定电流的电路中，电阻两端的电压 U、通过的电流 I 电阻 R 间满足部分电路欧姆定律，即 I = U/R。连接在电路中的电感和电容都不起作用。以一个自感系数为 L 的线圈为例，它同时具有一定的电阻 R，在交流电路中，它是一个电阻与一个电感的串联电路，简称 L–R 电路，在通有恒定电流的电路中，电感 L 不起作用，只有电阻 R 起作用。对于连接在电路中的电容器来说，如果电路中通的是恒定电流，并且不考虑漏电的因素，则电容器所在的支路处于断路状态。

但在电路刚接通或者刚断开后的一段短暂时间内，电流从 0 增加到某一个恒定值，或者从某一个恒定值减小到 0，都是电流变化的过程，在这个变化的过程中，电感和电容都起着作用。如图 1 所示，D₁ 和 D₂ 是两个相同的小灯泡，分别与线圈 L 和定值电阻 R 联在两个支路上，线圈 L 本身是有电阻的，挑选与 L 的电阻值相近的定值电阻 R，以提高演示实验的效果。闭合开关 K 接通电路后，可以明显地看到灯 D₂ 几乎是立即就亮了，而 D₁ 则延迟一段时间才逐渐变亮，经过一段时间达到稳定状态后，两灯的亮度相同，这就是通电自感的实验，电流达到稳定后两灯亮度相同，说明在电流恒定的条件下，线圈的电感不起作用，只有线圈的电阻起作用。

断开开关 K 后的短暂过程，也会发生自感现象，称为断电自感，线圈 L 产生自感电动势，在由 L、D₁、D₂ 及 R 组成的闭合回路中形成电流，只是由于回路的电阻太大，产生的电流较小，不能使灯泡发光，从而看不出明显的现象，但如果把 D₁ 及 R 短路，将可以看到灯 D₂ 会继续亮一会儿才逐渐熄灭，如果 L 的电感较大，还有可能看到灯 D₂ 闪亮一下而后才逐渐熄灭，演示断电自感的实验就是这么做的。

直流电路中的电容器与此类似，如图 2 所示，上面支路串联一个电容器和一个电流表 1，下面支路串联一个定值电阻和另一个电流表 2，两个电流表都要使用指针位于中央且能向两边偏转的。闭合开关 K 后，下面的电流表 2 示数很快就稳定下来，而上面的电流表 1 的指针则一开始偏转很大而后逐渐减小到零，这是电容器的充电过程。这个过程中两个电流表指针的偏转方向相同，说明电流方向相同，都是从左向右。达到稳定状态以后再断开开关 K，会看到两个电流表的指针都会发生偏转，这是电容器的放电过程，这过程中通过电阻 R 及电流表 2 的电流方向不变，而通过电流表 1 的电流方向变为反向。

对于直流电路中的电感和电容，当电流恒定时它们都不起作用，而当电流变化时它们就起作用了，其作用可以概括为“电感线圈电流不能突变，电容器两端电压不能突变”。如图 3 所示是图 1 中开关闭合和断开后通过线圈的电流 I 随时间 t 变化的情况，如图 4 所示是图 2 中电容器两端电压 U 随时间 t 变化的情况。

二、交流电路中的电阻、电感和电容

以下所说的交流电路，都是指正弦交流电路。

（1）纯电阻电路

电路中的导线以及电热类用电器，忽略分布电容和电感的影响，就是纯电阻电路。电阻的阻值 R、两端电压 U 及通过的电流 I 间的关系满足部分电路欧姆定律，即 I = \(\frac{U}{R}\)，其中 U 和 I 分别是电压和电流的有效值（下同），电流 I 与电压 U 的相位相同，与交流电的频率无关。

（2）纯电感电路

对于一个带铁芯的线圈，如果它的电阻很小可以忽略，则这段电路称为纯电感电路，设它的自感系数为 L，交流电的角频率为 ω，则它的感抗 X_L = ωL，它的两端电压 U 及通过的电流 I 间满足的关系是 I = \(\frac{U}{{{X_L}}}\) = \(\frac{U}{{\omega L}}\)，U 与 I 的相位不同，电压 U 超前于电流 I，相位差为 π/2，即 90°。

（3）纯电容电路

对于一个连接在电路中的电容器，忽略漏电流，可以称为纯电容电路，设它的电容为 C，交流电的角频率为 ω，则它的容抗 X_C = \(\frac{1}{{\omega C}}\)，它的两端电压 U 及通过的电流 I 间满足的 I = \(\frac{U}{{{X_C}}}\) = ωCU，U 与 I 的相位不同，电压 U 落后于电流 I，相位差为 π/2，即 90°。

感抗和容抗合称电抗，电抗与电阻合称阻抗。电抗与电阻的不同主要有两点：①电阻对交流电的阻碍作用与交流电的频率无关，而电感与电容对交流电的阻碍作用则与交流电的频率有关，频率越小，感抗越小，而容抗则越大。恒定电流可以认为是频率 ω 为 0 的交流电，这时感抗为 0，即电感线圈不起作用（线圈内的电阻还是起作用的，只是电感不起作用），而容抗为无穷大，即电容器在通有恒定电流的电路中处于断路状态；②电阻两端的电压 U 与电流 I 相位相同，而电感两端电压超前于电流 90°，电容两端电压落后于电流 90°。图 5 是以上三种情况的图示。

（4）电阻、电感、电容串联电路

如图 6 所示，电阻 R、电感 L、电容 C 串联在一段电路中。请注意，这是一个等效电路图，即真实的电感线圈既有一定的电感，也有一定的电阻，在图 6 中的线圈是没有电阻的，所有的电阻都集中于 R 上，线圈就代表一个纯电感。

设总电压为 U，各段电压分别为 U_L、U_R 及 U_C，但 U ≠ U_L + U_R + U_C，原因是相位不同：串联电路中处处电流相等，其中 U_R 与电流 I 相位相同、U_L超前于电流 90°、U_C 落后于电流90°，这个关系可以用如图 7（a）所示的旋转矢量图表示（电压和电流都不是矢量，但它们之间的相位关系却可以用旋转矢量图表示），总电压 U = \(\sqrt {U_R^2 + {{({U_L} - {U_C})}^2}} \)，总电压 U 与电流 I 间的夹角 φ = arctan \(\frac{{{U_L} - {U_C}}}{{{U_R}}}\)。

相应的阻抗关系如图 7（b）所示，总阻抗 Z = \(\sqrt {{R^2} + {{({X_L} - {X_C})}^2}} \)。

如果电路中没有电容，则是一个电阻与电感的串联电路，即 R–L 电路，它的阻抗 Z = \(\sqrt {{R^2} + X_L^2} \)，两端电压 \(\sqrt {U_R^2 + U_L^2} \)，电压 U 超前于电流 I，相位差 φ = arctan \(\frac{{{X_L}}}{R}\)。

如果电路中没有电感，则是一个电阻与电容的串联电路，即 R–C 电路，它的阻抗 Z = \(\sqrt {{R^2} + X_C^2} \)，两端电压 U = \(\sqrt {U_R^2 + U_C^2} \)，电压 U 落后于电流 I，相位差 φ = arctan \(\frac{{{X_C}}}{R}\)。

发布时间：2024/9/23 下午8:30:52  阅读次数：467