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原點的一條直線,我們就稱之為非線性電阻元件。 為電導,單位:西門子、西(s)。
在電壓和電流的關聯(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取為平面內的兩坐標軸而畫出的電荷q與電壓u的關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原點的一條直線,如圖所示。
在u,i為關聯(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,吸收的電能:
設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。當電壓增高時,儲存的電場能量增加,電容元件從電源吸收能量,相當于被充電;當電壓降低時,儲存的電場能量減少,電容元件釋放能量,相當于放電。由此可見,電容元件只有儲存電場能量的性質而不消耗能量,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。常常把導線繞成線圈的形式,稱為電感線圈或電感器。
設線圈的匝數(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構成的坐標平面上,可以畫出磁通鏈 與電流i之間d的關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,電感元件吸收的電能為:
設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。當電流增高時,儲存的磁場能量增加,電感元件從電源吸收電能并且轉化為磁場能量進行儲存;,當電流減小時,儲存的磁場能量也也相應減少,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。