一般來說,電路中普遍存在著電能的消耗、電場和磁場能量的儲存和轉(zhuǎn)換過程用來表征這兩種物理特性的元件本身不產(chǎn)生電能,故稱為無源文件。它們是電阻、電容和電感元件。
一 、電阻元件:
是實際電阻器的理想化模型。常用的實際電阻器有金屬模電阻器、碳模電阻器、線繞電阻器、白熾燈、電爐等。其電路符號如圖所示:
電阻元件的端電壓與通過它的電流成正比: 即滿足歐姆定律,r稱為元件的電阻,單位是ω伏安特性見圖。如果某電阻元件的伏安特性曲線不是通過坐標(biāo)原點的一條直線,我們就稱之為非線性電阻元件。 為電導(dǎo),單位:西門子、西(s)。
在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下,任何時刻電阻元件吸收的功率為:
由上式可見,由于r、g都為常數(shù),故p 與 和 成正比,并總是大于或等于零。這就說明在任何時刻電阻元件絕不可能發(fā)出電能,而是將吸收的電能全部轉(zhuǎn)化成其他非電能量(如熱能、光能等)消耗掉,因此它總是一種耗能元件。
二、電容元件
實際電容器的理想化模型。常用的實際電容器有紙介電容器、瓷介電容器、云母電容器等。電容器是一種儲能元件,儲存的是電場能量。設(shè)電容極板上充有電荷q,端電壓為u,則電容器的電容為
單位:法拉(f)
線性電容的電路符號:
如果把電容元件的電荷q和端電壓u取為平面內(nèi)的兩坐標(biāo)軸而畫出的電荷q與電壓u的關(guān)系曲線就稱為該電容元件的庫伏特性。若某電容元件的庫伏特性是通過坐標(biāo)原點的一條直線,如圖所示。
在u,i為關(guān)聯(lián)參考方向的前提下,有: 。如果u恒定,則為開路,i=0.
電容元件吸收的功率:
從0-t時間內(nèi),吸收的電能:
設(shè)t=0時刻電容元件原有電壓u(0)為零,則上式為
上式表明,電容元件儲存的電場能量與其端電壓有關(guān)。當(dāng)電壓增高時,儲存的電場能量增加,電容元件從電源吸收能量,相當(dāng)于被充電;當(dāng)電壓降低時,儲存的電場能量減少,電容元件釋放能量,相當(dāng)于放電。由此可見,電容元件只有儲存電場能量的性質(zhì)而不消耗能量,故稱它是一種儲能元件;另外,電容元件釋放的能量不可能多于它所儲存的能量,從這一點看,它又可稱為一種無源元件。
三、電感元件
實際電感器的理想化模型。常常把導(dǎo)線繞成線圈的形式,稱為電感線圈或電感器。
設(shè)線圈的匝數(shù)為n,穿過一匝線圈的磁通量為 ,總磁通量為 ,則
又
式中,l稱為電感元件的自感或電感。
在 和i構(gòu)成的坐標(biāo)平面上,可以畫出磁通鏈 與電流i之間d的關(guān)系曲線稱之為韋安特性曲線如圖。如果某電感元件的韋安特性曲線是一條通過坐標(biāo)原點的直線,則該電感元件為線性電感元件。
線性電感電路符號為:
電感l(wèi)的單位為亨利,簡稱亨(h)磁通 和磁通鏈 的單位為韋伯(wb)
由楞次定律得:
對于直流電路:u=0為短路。
電感元件吸收的功率為:
從0--t時間內(nèi),電感元件吸收的電能為:
設(shè)t=0時刻電感元件原有電流i(0)為零,則上式為
此式表明電感元件儲存的磁場能量與其通過的電流有關(guān)。當(dāng)電流增高時,儲存的磁場能量增加,電感元件從電源吸收電能并且轉(zhuǎn)化為磁場能量進(jìn)行儲存;,當(dāng)電流減小時,儲存的磁場能量也也相應(yīng)減少,電感元件釋放能量。因此,電感元件只有儲存和釋放磁場能量的性質(zhì)而本身不消耗能量,故電感元件同樣是一種儲能元件。另外,電感元件釋放的能量不可能多于它所儲存的能量,它仍是一種無源元件。