基本电路元件——电阻、电感和电容

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在电气和电子工程中，我们经常遇到两个术语“电路”和“电路元件”。其中，**电路元件**是电路最基本的组成单元，而电路是由不同电路元件以某种方式互连而成的，形成电流流动的闭合路径。

从技术上讲，电路元件是电气设备的数学模型，可以用其电压和电流关系完全表征。此外，作为最基本组成单元的电路元件不能再细分为其他器件。

我们用来构成不同电气和电子电路的三个最基本的电路元件是**电阻、电感**和**电容**。在本文中，我们将详细了解这三个元件。

什么是电阻器？

在电流路径中引入电阻或阻力的电路元件称为电阻器。它阻碍电流流动的特性称为**电阻**。电阻器的电阻用符号R表示，单位为**欧姆 ($\mathrm{\Omega}$) **。下图显示了电阻器的典型电路符号。

电阻器两端的电压与其流过的电流成正比。因此，就电压-电流关系而言，如果元件两端的电压与其流过的电流成正比，则该元件称为**电阻器**。

电阻器的类型

根据不同的参数，电阻器可以分为不同的类型。

根据欧姆定律，电阻器可分为以下两种类型：

• 线性电阻器
• 非线性电阻器

遵循欧姆定律的电阻器称为**线性电阻器**或**欧姆电阻器**。另一方面，如果不遵循欧姆定律，则称为**非线性电阻器**或**非欧姆电阻器**。

根据电阻值的变化，电阻器有两种类型：

• 固定电阻器
• 可变电阻器

电阻值保持不变且不能改变的电阻器称为**固定电阻器**。而电阻值可以改变的电阻器称为**可变电阻器**。

电阻器总是将电能转化为热能，从而耗散能量，而这些能量以后无法再获得。

与电阻器相关的重要的公式

电阻器的电压和电流关系由下式给出：

$$\mathrm{V∝I}$$

电阻器消耗的功率由下式给出：

$$\mathrm{P=I^{2}R=\frac{V^{2}}{R}}$$

转化为热量的电能由下式给出：

$$\mathrm{W=I^{2}Rt=\frac{V^{2}t}{R}}$$

串联电阻的等效电阻由下式给出：

$$\mathrm{R_{s}=R_{1}+R_{2}+R_{3}+...+R_{n}}$$

并联电阻的等效电阻由下式给出：

$$\mathrm{\frac{1}{R_{p}}=\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}}+...+\frac{1}{R_{n}}}$$

什么是电感器？

**电感器**基本上是缠绕成线圈的有限长度的导线。电感器也是一个基本的电路元件，用于在电气或电子电路中引入电感。电感器具有称为**电感**的特性，它会阻止电流的任何变化。下图显示了典型电感器的电路符号。

就电压-电流关系而言，如果一个两端电路元件的两端电压与电流对时间的导数成正比，则该元件称为**电感器**。因此，电感器的电压电流之间的数学关系由下式给出：

$$\mathrm{v∝\frac{di}{dt}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow\;v=L\frac{di}{dt}}$$

从这个表达式可以清楚地看出，如果通过电感器的电流保持恒定，则其两端的电压将为零。因此，具有直流电的电感器表现为短路线圈。此外，如果通过电感器的电流在零时间内变化，则会在电感器两端产生无限大的电压，这在实际上是不可能的。因此，通过电感器的电流不能突然变化。

电感器的非常重要的特性是它可以以磁场的形式存储有限量的能量。理想电感器不耗散能量，只存储能量。

与电感器相关的重要的表达式

电感器两端的电压由下式给出：

$$\mathrm{v=L\frac{di}{dt}}$$

电感器以磁场形式存储的能量由下式给出：

$$\mathrm{W=\frac{1}{2}Li^{2}}$$

串联电感器的等效电感由下式给出：

$$\mathrm{L_{s}=L_{1}+L_{2}+L_{3}+...+L_{n}}$$

并联电感器的等效电感由下式给出：

$$\mathrm{\frac{1}{L_{p}}=\frac{1}{L_{1}}+\frac{1}{L_{2}}+\frac{1}{L_{3}}+...+\frac{1}{L_{n}}}$$

什么是电容器？

能够以电场的形式存储电能的电路元件称为**电容器**。电容器存储电能的特性称为**电容**。

换句话说，其两端电压与电流对时间的积分成正比的电路元件称为**电容器**，即：

$$\mathrm{v=\int\;i\;dt}$$

一个简单的电容器由两个金属板构成，中间由绝缘材料隔开。这种绝缘材料称为电介质，它以电场的形式存储电能。根据所使用的电介质材料的不同，有几种类型的电容器，例如纸质电容器、空气电容器、云母电容器、陶瓷电容器、电解电容器等。

电容器的类型

也可以根据其极性分类为：

• 极性电容器
• 非极性电容器

**极性电容器**具有固定的端子极性，其端子标有固定的正极和负极极性。因此，极性电容器只能用于直流电路。另一方面，**非极性电容器**的端子极性不固定，因此这种类型的电容器也可以用于交流电路。

根据电容的变化，电容器可以分为两种类型：**固定电容器**和**可变电容器**。

电容器电流的表达式由下式给出：

$$\mathrm{i=C\frac{dv}{dt}}$$

从这个表达式可以清楚地看出，如果电容器两端的电压恒定，则流过它的电流为零。这意味着电容器在施加直流电压时起短路作用。电容器可以以电场的形式存储有限量的能量。此外，理想电容器不耗散能量，只存储能量。

与电容器相关的重要的表达式

电容器电流由下式给出：

$$\mathrm{i=C\frac{dv}{dt}}$$

电容器中储存的能量由下式给出：

$$\mathrm{W=\frac{1}{2}Cv^{2}}$$

串联电容器的等效电容由下式给出：

$$\mathrm{\frac{1}{C_{s}}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}+\frac{1}{C_{3}}+...+\frac{1}{C_{n}}}$$

并联电容器的等效电容由下式给出：

$$\mathrm{C_{p}=C_{1}+C_{2}+C_{3}+...+C_{n}}$$

结论

在本文中，我们详细讨论了三个最基本的电路元件，即电阻器、电感器和电容器。从以上讨论可以看出，电阻器以热的形式耗散电能，而这些能量无法回收。另一方面，电感器和电容器分别以磁场和电场形式存储电能。我们可以稍后检索这些存储的能量。