交流負(fù)載中出現(xiàn)三種基本電路——電阻性、電感性和電容性(以及三者的各種組合)。聽(tīng)起來(lái)，電阻負(fù)載純粹由電阻組成。電阻只是對(duì)電流(電子)通過(guò)的阻力的測(cè)量。電阻與材料的內(nèi)電阻率及其長(zhǎng)度成正比，與其橫截面積成反比。電阻電路的例子包括熱水器、熨斗、電爐甚至白熾燈——幾乎任何旨在產(chǎn)生熱量的東西。

另一方面，感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)電流在電路中流動(dòng)相反的感生電流。這種對(duì)電流變化的反對(duì)不同于電阻，稱為電抗。感應(yīng)電路的例子包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺線管和變壓器。

容性負(fù)載的作用與感性負(fù)載完全相反，會(huì)阻礙電壓的流動(dòng)。示例包括真正的電容器(冷凝器)、壓電器件和金屬氧化物半導(dǎo)體。這三種負(fù)載對(duì)交流電路中的電壓和電流的流動(dòng)有非常不同的影響。

電阻電路

在電阻負(fù)載的情況下，交流電失去了它的大部分神秘感，表現(xiàn)得更像直流電。雖然沒(méi)有純電阻交流電路這樣的東西，但許多電路足夠接近，它們將遵循歐姆定律(I = E/R，其中 I 是以安培為單位的電流，E 是電壓，R 是以歐姆為單位的電阻)。圖 1 顯示了一個(gè)由 120VA 供電的具有 60 歐姆電阻的簡(jiǎn)單電路。

圖1

使用歐姆定律，我們可以計(jì)算出電路中的電流為 2 安培。電路消耗的功率(作為熱量)只是伏特乘以安培或 240 瓦特的乘積。如果我們不知道電路中的電壓，我們可以通過(guò)測(cè)量電流來(lái)計(jì)算它。如果 I 為 2 安培，則 E = IR 或 120 V。這些計(jì)算如此簡(jiǎn)單的原因可以通過(guò)圖 2 中電壓、電流和功率曲線的關(guān)系來(lái)解釋。

圖2

圖 2 顯示了簡(jiǎn)單電阻電路(例如圖 1 所示的電路)中電壓(藍(lán)色)、電流(紅色)和功率(綠色)的流動(dòng)。在純電阻電路中，電壓和電流同步上升和下降時(shí)尚。發(fā)生這種情況的原因是，無(wú)論電壓是直流電壓還是交流電壓，電阻都會(huì)不斷地阻止電路中的電流流動(dòng)。由于這種持續(xù)的對(duì)立，電流與電壓同相流動(dòng)。在 x 軸上方的每個(gè)點(diǎn)，電壓和電流都是正的，在 x 軸下方的每個(gè)點(diǎn)，都是負(fù)的。綠色曲線代表電路中作為熱量耗散的功率(以瓦為單位)，它是 x 軸上任意點(diǎn)的電壓和電流的乘積。

請(qǐng)注意，除了電壓和電流通過(guò)零的那些點(diǎn)外，功率曲線始終為正。即使電流和電壓都是負(fù)的，功率仍然是正的，因?yàn)閮蓚€(gè)負(fù)量的乘積會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正量。因此，除了波通過(guò)零的那些點(diǎn)之外，所有點(diǎn)都消耗功率。盡管波形仍然有點(diǎn)復(fù)雜，但它們的同步關(guān)系使電阻電路相對(duì)容易理解。

電感電路

感性負(fù)載非常不同。稱為電感的新維度和稱為電抗的新量使這種類型的電路以不同于簡(jiǎn)單電阻負(fù)載的方式運(yùn)行。這種不同的行為是由于交流正弦波的正負(fù)波動(dòng)造成的。

圖 3 是一個(gè)簡(jiǎn)單的電感電路示例，該電路由連接到電感器的交流電源組成。在這個(gè)例子中，電感器是一個(gè)由幾個(gè)回路組成的線圈。當(dāng)交流電流過(guò)線圈時(shí)，會(huì)在線圈內(nèi)部和周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與流過(guò)電路的初級(jí)電流成正比增加和減少。這種變化的磁場(chǎng)會(huì)在線圈中感應(yīng)出次級(jí)電壓，從而產(chǎn)生與初級(jí)電流相反的次級(jí)電流。這個(gè)過(guò)程被稱為自感應(yīng)或自感。在直流電路中，只有當(dāng)電壓打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種相反的情況。直流感應(yīng)電路一旦通電，電流就會(huì)穩(wěn)定地單向流動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生二次電流。

圖 3

圖 4更清楚地說(shuō)明了這是如何發(fā)生的。在這個(gè)例子中，初級(jí)電流(紅色)顯示為順時(shí)針流過(guò)線圈中的回路。它的流動(dòng)在第一個(gè)回路中產(chǎn)生磁場(chǎng)(藍(lán)色)。磁場(chǎng)在第二個(gè)回路中感應(yīng)出一個(gè)逆時(shí)針流動(dòng)的次級(jí)電流(綠色)。次級(jí)電流的逆時(shí)針流動(dòng)(通常稱為反電動(dòng)勢(shì))與電流的正常流動(dòng)相反，并導(dǎo)致電流滯后于電路中的電壓。這種對(duì)初級(jí)電流變化的反對(duì)稱為電抗。

圖 4

圖 5 顯示了純電感電路中電壓(藍(lán)色)、電流(紅色)和功率(綠色)的流動(dòng)。感應(yīng)次級(jí)電流的反向流動(dòng)會(huì)阻礙初級(jí)電流的流動(dòng)，并使其滯后電壓 90 度或四分之一周期。功率曲線顯示了電抗的整體效果。請(qǐng)注意，它在每隔一個(gè)季度周期為正，在其間的季度周期為負(fù)。曲線正負(fù)部分的 RMS 值也相等。

圖5

在正四分之一周期內(nèi)，電路以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量，而在負(fù)周期內(nèi)，磁場(chǎng)消散并將能量返回給電源。因此，純電感電路不消耗能量。次級(jí)電流或反電動(dòng)勢(shì)阻礙初級(jí)電流流動(dòng)的程度稱為感抗 ( XL )，與電阻一樣，它的單位是歐姆。很快，我們將展示如何使用感抗來(lái)幫助重新定義用于交流電路的歐姆定律。

電容電路

我們將通過(guò)對(duì)純電容電路的快速討論來(lái)結(jié)束這一部分。電容器是一種可以儲(chǔ)存電荷的裝置，儲(chǔ)存的能量等于對(duì)其充電所做的功。它由被稱為電介質(zhì)的絕緣片隔開(kāi)的兩塊板組成。當(dāng)連接到直流電壓時(shí)，一個(gè)板獲得負(fù)電荷，而另一個(gè)獲得正電荷，但是一旦電容器充滿電，就沒(méi)有電流流過(guò)它。如果同一個(gè)電容器連接到交流電壓，交流電將持續(xù)流動(dòng)。

圖 6 是一個(gè)簡(jiǎn)單的純電容交流電路。電荷不能在兩個(gè)板之間流動(dòng)，因?yàn)樗鼈儽舜私^緣，因此電路中存在持續(xù)的交流電流似乎有點(diǎn)不尋常。施加交流電時(shí)電流在電容電路中流動(dòng)的原因是，每次交流正弦波反轉(zhuǎn)方向時(shí)，這些帶電板都會(huì)改變極性。這導(dǎo)致電荷流入和流出兩個(gè)極板。因此，電容器的兩個(gè)極板不斷地充電和放電，電流不斷地流動(dòng)。

圖 6

圖 7 顯示了純電容電路中電壓和電流的流動(dòng)。流動(dòng)關(guān)系與電感電路完全相反，電流被視為超前電壓 90 度。雖然沒(méi)有顯示功率，但它看起來(lái)像電感示例中的功率曲線，并且電路不消耗功率。充電阻礙電壓的程度稱為容抗 (X C )，它以歐姆為單位測(cè)量，如電阻和感抗。

圖 7

RLC 電路和阻抗

雖然有些電路由單一負(fù)載類型組成，但大多數(shù)是組合，稱為 RLC 電路。由于感性和容性負(fù)載的影響，歐姆定律 (E = IR) 不適用。相反，電阻 (R) 被阻抗 (Z) 取代，阻抗同時(shí)考慮了感抗和容抗。該方程采用 E = IZ 的形式，Z 等于 √R 2 +(X L -X C ) 2(其中 R 是電阻，X L是感抗，X C是容抗)。平方根符號(hào)包含整個(gè)方程。如您所見(jiàn)，從 X L 中減去X C因?yàn)樗碾妷簻笮?yīng)補(bǔ)償了 X L的電流滯后效應(yīng)。如果兩者相等，它們就會(huì)相互抵消，電路就是純電阻的。在 X C大于 X L 的電路中，負(fù)和被平方并產(chǎn)生一個(gè)與 R 平方相加的正數(shù)。該和的平方根為我們提供了電路的實(shí)際阻抗。