高二物理必修之知識講解電感和電容對交變電流的影響

1、電感和電容對交變電流的影響【學(xué)習(xí)目標(biāo)】.通過實驗，了解電感器和電容器對交流電的阻礙作用。.知道感抗和容抗的物理意義及影響因素。.通過猜想、假設(shè)、實驗、交流合作與分析論證，體驗科學(xué)探究過程?！疽c梳理】要點一、電感對交變電流的阻礙作用.電感線圈對交變電流的阻礙作用。交變電流通過線圈時，由于電流時刻在變化，所以自感現(xiàn)象 就不斷發(fā)生，而自感電動勢總是阻礙電流變化的，這就是線圈的電感對交變電流的阻礙作用。.電感對交變電流阻礙作用的大小用感抗來表示。線圈的自感系數(shù)越大，交變電流的頻率越高， 產(chǎn)生的自感電動勢就越大，電感對交變電流的阻礙作用就越大，感抗也就越大。3,由影響感抗的因素“頻率”可知：電感線圈對

2、恒定電流=0 i沒有感抗作用，因此電感線圈可以概括為“通直流，阻交流”。同時對頻率越高的交變電流，感抗越大，即所謂“通低頻，阻高頻” .由影響感抗的因素“自感系數(shù)”可知：要使低頻扼流圈感抗大，就要用自感系數(shù)較大的線圈即匝數(shù) 較多并有鐵芯的扼流圈來擔(dān)任；高頻扼流圈的自感系數(shù)要小得多，可以用匝數(shù)少且沒有鐵芯的扼流圈來擔(dān)任。根據(jù)電感線圈匝數(shù)的不同，扼流圈可分為兩種：(1)低頻扼流圈：通直流，阻交流；(2)高頻扼流圈：通低頻，阻高頻。要點二、電容器對交變電流的阻礙作用.交變電流能夠“通過”電容器電容器兩極板間是絕緣材料， 當(dāng)電容器接到交流電源上時，當(dāng)電源電壓升高時，電源給電容器充電，電荷向電容器極板上

3、聚集，在電路中，形成充電電流；當(dāng)電源電壓降低時，電容器放電，極板上聚集的 電荷又放出，在電路中形成放電電流。電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中就有了電流，好像是交變電 流“通過” 了電容器，但實際上自由電荷并沒有通過電容器兩極板間的絕緣介質(zhì)。.電容器對交變電流的阻礙作用對于導(dǎo)線中形成電流的自由電荷來說， 當(dāng)電源的電壓推動它們向某一方向做定向運動時，電容器兩極板上積累的電荷會阻礙它們向這個方向運動，這就產(chǎn)生了電容對交變電流的阻礙作用。 電容對交變電流的這種阻礙作用的大小就稱為容抗。要點詮釋：(1)容抗表示電容對交變電流阻礙作用的大小。(2)容抗大小由電容器的電容和交變電流的頻率決定。電容越大，交變

4、電流的頻率越高，容抗越 小。(3)電容對交變電流阻礙作用的實質(zhì)。當(dāng)交變電流“通過”電容器時，給電容器充電或放電，使 電容器兩極形成跟原電壓相反的電壓，阻礙電流，形成容抗。(4)電容器在電路中常見的作用有兩種，隔直電容器：通交流、隔直流；旁路電容器：通高頻、 阻低頻。實際應(yīng)用電路如圖所示。旁路電容器的作用要點三、直流電路和交流電路的區(qū)別在直流電路中，電流的大小由電壓和電阻決定, 外，還與電感和電容對交變電流的阻礙作用有關(guān)，而在交流電路中， 決定電流大小的除了電壓和電阻電路中電感線圈和電容器的兩端均有電壓，在交變電流的頻率不變時，純電感電路中和純電容電路中，電流大小跟電壓成正比。要點四、電阻、感抗

5、、容抗的比較電阻感抗容抗產(chǎn)生的原 因定向移動的自由電 荷與小動的離子間的碰 撞由于電感線圈的自感 現(xiàn)象阻礙電流的變化電容器兩極板上積累的電荷 對向這個方向定向移動的電何的 反抗作用在電路中 的特點對直流、交流均有 阻礙作用只對變化的電流，如 交流后阻礙作用不能通直流，只能通變化的 電流。對直流的阻礙作用無限大， 對交流的阻礙作用隨頻率的降低 而增大決定因素由導(dǎo)體本身（長短、 粗細(xì)、材料）決定，與 溫度有關(guān)由線圈本身的自感系數(shù)和交流白頻率f決定（成正比）由電容的大小和交流的頻率 決定（成反比）能量轉(zhuǎn)化電流通過電阻做 功，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能電能和磁場能往復(fù)轉(zhuǎn) 化電能與電場能往復(fù)轉(zhuǎn)化說明：電感、電容接到

6、交流電源上時，電能與磁場能或電場能往復(fù)轉(zhuǎn)化，所以電感、電容上不會消耗電能，而電流通過電阻時，必然會產(chǎn)生焦耳熱，從而造成電能的損耗。要點五、電容器、電感器的應(yīng)用.電容器的應(yīng)用（1）隔直電容器，如圖甲所示，作用是“通交流、隔直流”。因為直流不能通過電容器，交變電流能“通過”電容器。起這樣作用的電容器電容要大些。一前級輸入后級輸出前級輸入后級輸出一甲 乙（2）高頻旁路電容器。如圖乙所示，作用是“通高頻，阻低頻” ，因為對不同頻率的交變電流，頻 率越高，容抗越小，頻率越低，容抗越大，即電容對低頻交變電流阻礙作用大。對高頻交變電流阻礙作 用小，起這樣作用的電容器電容要小些。.電感器的應(yīng)用(1)低頻扼流圈

7、：可起到“通直流、阻交流”的作用。(2)高頻扼流圈：可起到“通直流、通低頻，阻高頻”的作用。.電感和電容的組合應(yīng)用根據(jù)電感、電容對交變電流阻礙作用的特點，可以將二者結(jié)合到一起來完成一定的任務(wù)。(1)如果將電容與負(fù)載并聯(lián)，然后與電感串聯(lián)，就能更好的起到濾掉電流中交流成分或高頻成分 的作用。如圖所示。L輸入o(2)如果將電感與負(fù)載并聯(lián)，然后與電容串聯(lián),就能更好的起到濾掉電流中直流成分或低頻成分的作用。如圖所示。010J C L |負(fù)載【典型例題】類型一、電感對交變電流的阻礙作用例1.交變電流通過一段長直導(dǎo)線時，電流為 I ,如果把這根長直導(dǎo)線繞成線圈，接入原電路，通過線圈的電流為IL則 ()A.

8、I 1 B. I 1 C. I =I D.無法比較【答案】B【解析】本題考查電感對交變電流的阻礙作用，關(guān)鍵要知道電感線圈對直流和交變電流的阻礙作用有區(qū)別。長直導(dǎo)線的自感系數(shù)很小，其對交變電流的阻礙作用可以看作是純電阻，流經(jīng)它的交變電流只受到導(dǎo)線電阻的阻礙作用。當(dāng)導(dǎo)線繞成線圈后，電阻值未變，但自感系數(shù)增大，對交變電流的阻礙作用不但 有電阻，而且有線圈的阻礙作用(感抗) 。阻礙作用增大，電流減小?！军c評】直流電阻不計的線圈對直流無阻礙作用，相當(dāng)于短路，對交變電流有阻礙作用。例2. 一個燈泡通過一個粗導(dǎo)線繞成的線圈與一交流電源相連接，如圖所示。一鐵芯插進(jìn)線圈之后,該燈將()A.變亮 B.變暗 C.對

9、燈沒影響D.以上說法都不正確【答案】B【解析】本題考查感抗的決定因素和電路知識，解題的關(guān)鍵是知道線圈中插入鐵芯使線圈的自感系數(shù)變大。線圈和燈泡是串聯(lián)的，因此加在串聯(lián)電路兩端的總電壓等于線圈上的電勢差與燈泡上的電勢差之 和。由墻上插孔所提供的 220 V電壓，一部分降落在線圈上，剩余的降落在燈泡上。如果一個大電壓降 落在線圈上，則僅有一小部分電壓降落在燈泡上。燈泡上電壓變小，將使它變暗。什么原因使得電壓降 落在線圈上呢？是由于它的電阻嗎？由于線圈導(dǎo)線是粗的，其電阻很小。在線圈上產(chǎn)生電壓降的主要原 因是其內(nèi)部存在改變著的磁場。在線圈內(nèi)由于改變磁場而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，總是反抗電流的變化，正是這種反抗

10、變化的特性 （電惰性），使線圈產(chǎn)生了感抗。【點評】感抗Xl =2nfL , L的大小與線圈的形狀、長度、橫截面積及有無鐵芯均有關(guān)系。例3.在如圖所示電路中，L為電感線圈，R為燈泡，電流表內(nèi)阻為零，電壓表內(nèi)阻無限大，交流電源的電壓u =220圾，sin100ntV。若保持電壓的有效值不變，只將電源頻率改為100 Hz,下列說法中正確的是（）A.電流表示數(shù)增大B.電壓表示數(shù)增大C.燈泡變暗D.燈泡變亮【答案】BC【解析】本題考查了感抗的決定因素、交變電流有效值等知識， 解題關(guān)鍵是要清楚頻率增大，感抗增大。100 二.由u =220j2sin100ntV ,可得電源原來的頻率為f =Hz = 50H

11、z,當(dāng)電源頻率由2 二 2 二原來的50 Hz增為100 Hz時，線圈的感抗增大；在電壓不變的情況下，電路中的電流減小，選項 A錯 誤。 2燈泡的電阻R是一定的，電流減小時，實際消耗的電功率P=I R減小，燈泡變暗，選項 C正確，D錯誤。電壓表與電感線圈并聯(lián)，其示數(shù)為線圈兩端的電壓Ul ；設(shè)燈泡兩端電壓為 Ur,則電源電壓的有效值為U =Ul +Ur ,因U R = IR ,故電流I減小時，Ur減小。因電源電壓有效值保持不變，故U l =U Ur增大，選項B正確?！军c評】感抗大小的決定式為Xl =2n fL , f為交變電流頻率，L為電感（自感系數(shù)），感抗和頻率f、電感L成正比。例4.關(guān)于電子

12、電路中的扼流圈，下列說法正確的是（）A.扼流圈是利用電感線圈對交流的阻礙作用來工作的B.高頻扼流圈的作用是允許低頻交流通過，而阻礙高頻交流通過C.低頻扼流圈的作用是不僅要阻礙高頻交流通過，還要阻礙低頻交流通過D.高頻扼流圈的電感比低頻扼流圈的電感大【答案】ABC【解析】本題考查了高頻扼流圈、低頻扼流圈。扼流圈是利用變化的電流通過線圈時，感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，從而來阻礙電流的變化的，故A正確。高頻扼流圈是“通低頻、阻高頻”，故B正確；低頻扼流圈是“阻高頻、阻低頻、通直流”，故C正確；高頻扼流圈比低頻扼流圈自感系數(shù)小，故 D錯?！军c評】清楚高頻扼流圈是“通低頻、阻高頻”，低頻扼流圈是“通直流、阻交流”

13、。類型二、電容對交變電流的影響例5.如圖所示的電路中，正弦交流電源電壓的有效值為220 V,則關(guān)于交流電壓表的示數(shù)，以下說法中正確的是（）A.等于220 V B.大于220 V C.小于220 V D.等于零【答案】C【解析】本題考查了電容器對交變電流的阻礙作用。雖然交變電流能通過電容器， 但也要受到阻礙作用， 電容器與電阻串聯(lián)， 根據(jù)分壓原理可知電阻兩 端的電壓小于電源電壓，電壓表測的是電阻兩端的電壓，C正確。【點評】交變電流不同于直流，交變電流能“通過”電容器，所以電壓表有示數(shù)。例6.電路由交變電源供電，最大電壓保持不變，如果交變電流的頻率升高，則下列說法中正確的 是（）A.電容器上的電荷

14、量最大值增大B.電容器容抗增大C.電路中燈泡亮度變亮D.電路中燈泡亮度變暗【答案】C【解析】電容器的容抗由電容器本身決定，B錯；當(dāng)交變電流的頻率升高時，電容器的容抗減小，電容器電壓減小， Q =CU , Q的最大值減小，A錯；燈泡電壓增大，燈泡的亮度變亮，故選項 C正 確，選項D錯誤。【點評】容抗表達(dá)式為 Xc =,由此可知電容器的容抗和交變電流頻率f、電容C成反比。二 fC例7.如圖所示的電路,F為一交流發(fā)電機，C為平行板電容器，為使電流表A示數(shù)增大，可行的辦法是（a、b是輸入端，其中高頻成分表示，則甲、乙、用“一”表示，低頻成分用“”表示，直流成分用A.使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速增大B.使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速

15、減小C.平行板電容器間換用介電常數(shù)較小的電介質(zhì)D.使電容器兩板間距離增大【答案】A【解析】本題考查了容抗的決定因素及交變電流的頻率。發(fā)電機轉(zhuǎn)速增大，交變電流頻率，增大， 容抗變小，電流增大，故 A正確。電容器所充電介質(zhì)的介電常數(shù)變小，板間距離增大，電容均變小， 容抗變大，電流變小，C、D不正確?！军c評】容抗和交變電流頻率f、電容C成反比；電容和電介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，和兩板正對面積成正比，和板間距離成反比。例8.如圖所示的甲、乙、丙三種電路是電子技術(shù)中常用的電路,【答案】見解析【解析】本題考查電容對電流的阻礙作用。甲圖：R上的電流是交流成分（低頻），因為電容C有隔直流作用。乙圖：R上的電容是低

16、頻成分，因為電容 C對高頻成分有旁通作用，即通高頻、阻低頻。丙圖：R上的電流是直流成分，因為電容 C對交流有旁通作用，即隔直流、通交流?！军c評】電容器在電路中常見的作用有兩種，隔直電容器：通交流、隔直流；旁路電容器：通高頻、阻低頻。舉一反三【：電感和電容對交變電流的影響例5【變式】下列甲、乙兩圖是電子技術(shù)中的常用電路，a、b是各部分電路的輸入端，其中輸入的交流高頻成分用“ 一”表示，交流低頻成分用“”表示，直流成分用“ 一”表示。關(guān)于兩圖中負(fù)載電阻R上得到的電流特征是（A.圖甲中R得到的是交流成分 C.圖乙中R得到的是低頻成分B.圖甲中R得到的是直流成分D.圖乙中R得到的是高頻成分【答案】AC

17、 類型三、電感、電容對交變電流的影響例9. （2015 西城教研）下列說法正確的是（）A.理想電感線圈、電容器和電阻接入電路后都要產(chǎn)生焦耳熱B.電感線圈、電容器和電阻都對交變電流起阻礙作用C.電感線圈對變化的電流起阻礙作用D.電容器能使交流“通過”的原因是電容器在交流電路中交替地進(jìn)行充電和放電【答案】BCD【解析】本題考查了電阻、電感、電容在交流電路中的作用。對于直流，理想電感相當(dāng)于導(dǎo)線，理 想電容相當(dāng)于開路，不產(chǎn)生焦耳熱，故 A錯誤；對于交流，電感線圈有感抗，電容器有容抗，都對交 變電流有阻礙作用，故 B、C正確；交變電流能通過電容器是因為交流電路中電容器的兩極加上交變電 壓，兩極板上不斷進(jìn)

18、行充、放電，電路中產(chǎn)生電流，表現(xiàn)為交變電流“通過” 了電容器，故D正確?！军c評】電感和電容對交流的阻礙作用的大小不但跟電感、電容本身有關(guān)，還跟交流的頻率有關(guān)。 這種關(guān)系可以簡單概括為：電感是“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”，感抗Xl=2nfL （參考公式）；電容是“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”1,一，、谷抗Xc -（參考公式）。2 二 fC舉一反三【：電感和電容對交變電流的影響例4【變式】以下說法正確的是（）A、低頻扼流圈對低頻交流有很大的阻礙作用，而對高頻交流的阻礙較小B、高頻扼流圈對高頻交流有很大的阻礙作用，而對低頻交流的阻礙較小C、電容器的容抗是電容器本身的固有屬性，與外界的條件無

19、關(guān)D、電容器在交流電路中容抗”來阻礙電流變化，所以電容越大，阻礙越強【答案】B例10.如圖所示，當(dāng)交流電源的電壓有效值U = 220 V,頻率f =50 Hz時，3只燈L1、L? L3的亮度相同（L無直流電阻），若將交流電源的頻率變?yōu)閒 =100 Hz ,則（）A. L1燈比原來亮B. L2燈比原來亮C. L3燈和原來一樣亮D. L3燈比原來亮【答案】AC【解析】本題綜合考查了電容、電感對交變電流的阻礙作用。電容的容抗與交變電流的頻率有關(guān)，頻率高、容抗小，即對高頻交變電流的阻礙作用小，所以 A項對。線圈對交變電流的阻礙作用隨頻率升高而增加，所以 B項錯，電阻R中電流只與交變電流有效值及R值有關(guān)

20、，所以C項正確?！军c評】電感、電容對交變電流的阻礙作用與交變電流的頻率有關(guān)，而電阻對交變電流的阻礙作用和交變電流頻率無關(guān)，電阻R中的電流由交變電流有效值和R決定。舉一反三【：電感和電容對交變電流的影響例6【變式1】兩個相同的白熾燈泡 11和12接到如圖4所示的電路中，燈與電容器串聯(lián)，燈L2與電感線圈串聯(lián)。當(dāng) a b間處接電壓最大值為 Um、頻率為f的正弦交流電源時，兩燈都發(fā)光，且亮度相同。更換一個新的正弦交流電源后，燈能是（）Li的亮度低于燈L2的亮度。新電源兩極的電壓最大值和頻率可A.最大值仍為U m ,而頻率大于fB.最大值仍為U m ,而頻率小于fC.最大值大于U m ,而頻率仍為fD.

21、最大值小于U m ,而頻率仍為f【答案】B【：電感和電容對交變電流的影響例1【變式2】如圖所示，理想變壓器的輸出端有三組次級線圈，分別接有電阻元件 R、電感元件L和電容元件C。若用Ir、Il、Ic分別表示通過 R、L和C的電流，則下列說法中正確的是（）A.若M、N接正弦式交流電，則Ir = R Il =0、Ic =0B.若M、N接正弦式交流電，則Ir = R Il =0、Ic =0C.若M、N接恒定電流，則Ir = R Il =0、Ic =0D.若M、N接恒定電流，則Ir =R Il =0、Ic =0【答案】B例11 .“二分頻”音箱內(nèi)有兩個不同口徑的揚聲器，它們的固有頻率分別處于高音、低音頻

22、段，分別稱為高音揚聲器和低音揚聲器；音箱要將擴音機送來的含有不同頻率的混合音頻電流按高、低頻段分離出來，送往相應(yīng)的揚聲器，以便使電流所攜帶的音頻信息按原比例還原成高、低頻的機械振動。圖為音箱的電路圖，高、低頻混合電流由確的是（）& b端輸入，Li和L2是線圈，Ci和C2是電容器，則下列說法正A.B.C.D.甲揚聲器甲揚聲器是高音揚聲器C2的作用是阻礙低頻電流通過乙揚聲器Li的作用是阻礙低頻電流通過甲揚聲器L2的作用是減弱乙揚聲器中的低頻電流【答案】BD乙揚聲器【解析】本題綜合考查電感和電容在電路中所起的作用。甲揚聲器中,Li串聯(lián)在電路中，對高頻電流的阻礙作用很大，對低頻電流阻礙作用較小;Ci并聯(lián)在電路中，對高頻電流的阻礙作用小，可以給高頻電流提供通路，使低頻電流通過揚聲器傳出，所以甲為低頻揚聲器。乙揚聲器中, 路中，對低頻電流的阻礙作用很大，對高頻電流阻礙作用很小;L2并聯(lián)在電路中，對低頻電流的阻礙作用小，可以給低頻電流提供通路，使高頻電流通過揚聲器傳出，所以乙為高頻揚聲器，故答案為DoC2串聯(lián)在電B、【點評】牢記電感線圈“通低頻、阻高頻”；電容器“通高頻、阻低頻”，解題時直接運用