基本電路元件——電阻、電感和電容

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在電氣和電子工程中，我們經常遇到兩個術語“電路”和“電路元件”。其中，**電路元件**是電路最基本的組成單元，而電路是由不同電路元件以某種方式互連而成的，形成電流流動的閉合路徑。

從技術上講，電路元件是電氣裝置的數學模型，可以用其電壓和電流關係完全表徵。此外，作為最基本組成單元的電路元件不能再細分為其他器件。

我們用來構成不同電氣和電子電路的三個最基本的電路元件是**電阻、電感**和**電容**。在本文中，我們將詳細瞭解這三個元件。

什麼是電阻器？

在電流路徑中引入電阻或阻力的電路元件稱為電阻器。它阻礙電流流動的特性稱為**電阻**。電阻器的電阻用符號R表示，單位為**歐姆 ($\mathrm{\Omega}$) **。下圖顯示了電阻器的典型電路符號。

電阻器兩端的電壓與其流過的電流成正比。因此，就電壓-電流關係而言，如果元件兩端的電壓與其流過的電流成正比，則該元件稱為**電阻器**。

電阻器的型別

根據不同的引數，電阻器可以分為不同的型別。

根據歐姆定律，電阻器可分為以下兩種型別：

• 線性電阻器
• 非線性電阻器

遵循歐姆定律的電阻器稱為**線性電阻器**或**歐姆電阻器**。另一方面，如果不遵循歐姆定律，則稱為**非線性電阻器**或**非歐姆電阻器**。

根據電阻值的變化，電阻器有兩種型別：

• 固定電阻器
• 可變電阻器

電阻值保持不變且不能改變的電阻器稱為**固定電阻器**。而電阻值可以改變的電阻器稱為**可變電阻器**。

電阻器總是將電能轉化為熱能，從而耗散能量，而這些能量以後無法再獲得。

與電阻器相關的重要的公式

電阻器的電壓和電流關係由下式給出：

$$\mathrm{V∝I}$$

電阻器消耗的功率由下式給出：

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

轉化為熱量的電能由下式給出：

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

串聯電阻的等效電阻由下式給出：

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

並聯電阻的等效電阻由下式給出：

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

什麼是電感器？

**電感器**基本上是纏繞成線圈的有限長度的導線。電感器也是一個基本的電路元件，用於在電氣或電子電路中引入電感。電感器具有稱為**電感**的特性，它會阻止電流的任何變化。下圖顯示了典型電感器的電路符號。

就電壓-電流關係而言，如果一個兩端電路元件的兩端電壓與電流對時間的導數成正比，則該元件稱為**電感器**。因此，電感器的電壓電流之間的數學關係由下式給出：

$$\mathrm{v∝\frac{di}{dt}}$$

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

從這個表示式可以清楚地看出，如果透過電感器的電流保持恆定，則其兩端的電壓將為零。因此，具有直流電的電感器表現為短路線圈。此外，如果透過電感器的電流在零時間內變化，則會在電感器兩端產生無限大的電壓，這在實際上是不可能的。因此，透過電感器的電流不能突然變化。

電感器的非常重要的特性是它可以以磁場的形式儲存有限量的能量。理想電感器不耗散能量，只儲存能量。

與電感器相關的重要的表示式

電感器兩端的電壓由下式給出：

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

電感器以磁場形式儲存的能量由下式給出：

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

串聯電感器的等效電感由下式給出：

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

並聯電感器的等效電感由下式給出：

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

什麼是電容器？

能夠以電場的形式儲存電能的電路元件稱為**電容器**。電容器儲存電能的特性稱為**電容**。

換句話說，其兩端電壓與電流對時間的積分成正比的電路元件稱為**電容器**，即：

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

一個簡單的電容器由兩個金屬板構成，中間由絕緣材料隔開。這種絕緣材料稱為電介質，它以電場的形式儲存電能。根據所使用的電介質材料的不同，有幾種型別的電容器，例如紙質電容器、空氣電容器、雲母電容器、陶瓷電容器、電解電容器等。

電容器的型別

也可以根據其極性分類為：

• 極性電容器
• 非極性電容器

**極性電容器**具有固定的端子極性，其端子標有固定的正極和負極極性。因此，極性電容器只能用於直流電路。另一方面，**非極性電容器**的端子極性不固定，因此這種型別的電容器也可以用於交流電路。

根據電容的變化，電容器可以分為兩種型別：**固定電容器**和**可變電容器**。

電容器電流的表示式由下式給出：

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

從這個表示式可以清楚地看出，如果電容器兩端的電壓恆定，則流過它的電流為零。這意味著電容器在施加直流電壓時起短路作用。電容器可以以電場的形式儲存有限量的能量。此外，理想電容器不耗散能量，只儲存能量。

與電容器相關的重要的表示式

電容器電流由下式給出：

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

電容器中儲存的能量由下式給出：

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

串聯電容器的等效電容由下式給出：

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

並聯電容器的等效電容由下式給出：

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

結論

在本文中，我們詳細討論了三個最基本的電路元件，即電阻器、電感器和電容器。從以上討論可以看出，電阻器以熱的形式耗散電能，而這些能量無法回收。另一方面，電感器和電容器分別以磁場和電場形式儲存電能。我們可以稍後檢索這些儲存的能量。