高二物理电感和电容对交变电流的影响、三相交变电流知识精讲

高二物理电感和电容对交变电流的影响、三相交变电流
【本讲主要内容】
电感和电容对交变电流的影响、三相交变电流
重点：电感和电容对于交流电路和直流电路的作用是不同的；三相交变电流的产生和输送方式。

难点：电容和频率对容抗的影响；三相交变电流及负载的连接方式。

【知识掌握】
【知识点精析】
1. 感抗：电感对交变电流阻碍作用的大小。

自感系数越大，感抗越大；交流电的频率越高，感抗作用越大。

而当交流电源的频率已经很高的前提下，电感线圈要对交流电形成阻碍作用，对自感系数的要求就不是很高了。

人们利用电感的感抗和交流电频率、自感系数相关的特性制成了低频扼流圈和高频扼流圈。

而由于高频、低频的相对性，高频扼流圈的这种作用事实上可以推广——成为电感线圈的一种共性，即“通低频、阻高频”。

2. 容抗：电容对交变电流阻碍作用的大小。

电容越大，容抗越小；交流电的频率越高，容抗作用越小。

与感抗恰好相反。

既然正好相反，对于它阻碍不同频率交流电的属性上的结论也必然是相反的。

这个分析的过程由于是重复的，同学可以自己完成。

电容的特性：“通高频、阻低频”。

结合交流和直流的比较，教材上总结了关于这两个元件的属性“口诀”，对我们很有帮助。

电感是“通直流，阻交流；通低频，阻高频”
电容是“通交流，隔直流；通高频，阻低频”
3. 三相交流发电机:一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动而产生。

这种发电机在电路中只能产生一个交变电动势，又叫做单相交流发电机。

如果让三个互成120º角的矩形线圈在同一个匀强磁场中匀速转动，将在三个线圈中分别产生三个交变电动势，这种发电机叫做三相交变电流发电机。

4. 三相交变电流的产生
三相交变电流发电机用6根导线与三个灯泡组成电路，匀速转动线圈，三个灯泡都能发光。

指导学生观察：三个相同的灯泡在同一时刻亮度是否相同?最大亮度是否相同？
学生：同一时刻亮度不同，但最大亮度相同。

继续观察：取下一个或两个灯泡，剩下的灯泡亮度是否变化？
学生：亮度不变。

结合图和教材解释上述现象。

三个线圈在磁场中匀速转动，它们产生出三个最大值和周期都相同的交变电动势，相当于三个独立的电源同时向外供电，所以三盏灯的最大亮度相同，取下一个或两个灯泡不影响其它灯泡正常工作。

这三个线圈中的电动势最大值和周期虽然相同，但是由于线圈互成120o 角，线圈到达中性面时的时间依次相差T/3，所以它们不能同时为零或同时达到最大值，因此三个灯泡在同一时刻的亮度不完全相同（某一时刻可能有两个灯泡亮度相同）。

设问：三相交变电流发电机和灯泡之间是否一定需要用六根导线来连接？
5. 三相交变电流及负载的连接方式
演示实验：
采用星型连接，灯泡正常工作，作电路图，介绍火线和中性线（零线）
说明判定火线和零线的方法——测电笔
介绍相电压和线电压，说明在我国日常电路中，U相＝220V，U线＝380V，三相四线制电路（星型连接）同时送出两种电压，照明电路是220V，动力电路是380V。

设问：若中性线断了，灯泡亮度是否变化?
实验说明，三个灯泡亮度与原来完全相同。

解释：三相负载平衡，中性线中无电流通过。

在实际生活中尽量使三相负载功率相同，减少中性线中的电流。

除星型接法外还有什么接法？
三角形接法
6. 三相交变电流小结
（1）三相交变电流的产生
在同一磁场中有三个互成角度的线圈同时转动，电路中就产生三个周期和最大值相同的交变电动势，这样的发电机叫三相交变电流发电机，产生的电流叫三相交变电流。

（2）三相交变电流及负载接法
星型连接和三角形连接
（3）日常电路中，U相＝220V，U线＝380V
对这部分，知道电感和电容在交流电路中对电流的影响即可，可能会出现在实验填空中，以往高考从未在此出题，连相应的练习题也很少，不必重点掌握。

【解题方法指导】
例1. 如图，三个灯泡是相同的，电源内阻忽略，当电键接交流电源时，三个灯泡亮度相同，那么当电键接直流电源时：（）
A. 三个灯泡亮度相同
B. 甲灯最亮，丙灯不亮
C. 甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮
D. 只有丙灯不亮，乙灯最亮
解析：D 由口诀电感是“通直流，阻交流；通低频，阻高频”
电容是“通交流，隔直流；通高频，阻低频”电阻不影响，可知，此电路中I丙＝0，I甲不变，I乙增大，又因为灯泡亮度与其功率P＝I2R成正比，所以选D。

例2. 如图，a、b两端接交流电源，且既含高频交流，又含低频交流，L是一个高频扼流圈，C为电容器，R为负载电阻。

则正确的是（）
A. L的作用是通低频，阻高频
B. C 的作用是通交流，隔直流
C. C 的作用是通高频，阻低频
D. 通过R的电流中，低频交流所占的百分比远远大于高频交流的百分比。

解析：ACD由口诀电感是“通直流，阻交流；通低频，阻高频”
电容是“通交流，隔直流；通高频，阻低频”电阻不影响，可选AC
由于L对高频交流的阻碍作用和C对高频交流的旁路作用，使得通过R的电流中，低频交流所占的百分比远远大于高频交流的百分比。

总结：
事实上，对于交流电路而言，除了电阻元件、电感元件、电容元件外，还可以出现二极管、三极管。

正是这些丰富多彩的元件，赋予了交变电路丰富多彩的性能。

如果把直流电路比做独奏曲的话，交流电可以说是交响曲。

希望大家掌握了更丰富的知识后，能领略到它完美的和声。

例3. 如图所示电路中，如果交流电的频率增大，三盏电灯的亮度将如何改变?为什么?
解析：当交变电流的频率增大时，线圈对交变电流的阻碍作用增大，通过灯泡L1的电流将因此而减小，所以灯泡L1的亮度将变暗；而电容对交变电流的阻碍作用则随交变电流频率的增大而减小，即流过灯泡L2的电流增大，所以灯泡L2的亮度将变亮.由于电阻的大小与交变电流的频率无关，流过灯泡L2的电流不变，因此其亮度也不变。

说明：
（1）电感对交变电流的阻碍作用的大小用感抗来表示。

线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大，感抗也越大。

（2）电容对交变电流的阻碍作用的大小用容抗来表示。

电容器的电容越大，交变电流的频率越高，电容对交变电流的阻碍作用就越小，容抗也越小。

例4. 三个完全相同的负载R ，分别接在相同的三相发电机的输电线路上。

设图甲、乙、丙中负载R 两端的电压分别为U 甲、U 乙、U 丙，则（ ）
A. U 甲=U 乙=U 丙
B. U 甲＜U 乙=U 丙
C. U 甲=U 丙＞U 乙
D. U 甲=U 丙＜U 乙
分析：设发电机每相电压为U 相，线电压为U 线，在图甲中，相线甲U U U ==；图乙中，相线乙U 2U U ==；图丙中，U 丙=U 线=U 相，所以，U 甲=U 丙＜U 乙。

答：D
例5. 如图所示三相供电线路上，接入三相电灯负载，线电压为380V ，每相负载电阻500Ω。

求：
（1）正常工作时，电灯两端的电压和通过电灯的电流；
（2）如果A 断开，其它两相电灯的电压和电流；
（3）如A 相短路而熔断器未熔断，求各相电灯的电压和电流。

分析解答：这是一个三相交流电路的三线星形接法，由于三相负载电路的阻值相同，所以电路的正常工作情况和三相四线制的星形接法一样。

（1）由于线电压为380V ，故相电压应该为220V ，所以每一相负载电灯的电压均为220V ，电阻为500Ω，电流为0.44A 。

（2）如果A 相断开，则意味着在BC 之间接入两路串联的负载电灯，负载两端的电压为380V 的线电压，电路的总电阻为500Ω×2=1000Ω，所以电流则为0.38A ，而加载在每一组负载电灯上的电压为190V 。

（3）如果A 相短路而熔断器未熔断，则电路的等效电路如下图所示：
电路中B 、C 两相的电压仍然为220V ，流经E 2和E 3的电流均通过E 1，则：
E 1两端的电压为2IR ；
E 2两端的电压为IR ；
E 3两端的电压为IR ；
IR 3IR IR 2U U C B =+==
代入数据得：
A 15.0)5003/(V 220I =Ω⨯=
V 147IR 2U 1==
V 73IR U U 32===
A 147.0I 1=
A 074.0I I 32==
【综合测试】
1. 如图，如果保持交变电流的电压有效值不变，而使它的频率升高，则正确的是（
）
A. 电容器的电容增大
B. 电容器的电容减小
C. 灯泡的亮度增加
D. 灯泡的亮度减小
2. 如图，线圈的自感系数L 和电容器的电容C 都很小，这个电路的主要作用是：（ ）
A. 阻直流，通交流，输出交流电
B. 阻交流，通直流，输出直流电
C. 阻高频，通低频，输出低频交流电和直流电
D. 阻低频，通高频，输出高频交流电
3. 三相交流发电机有线圈.每组线圈产生的电动势和都相同.但它们到达零值和最大值的时间依次落后周期.
4. 如图所示电路中，请说明：
（1）此电路属三相交流电的接法.
（2）导线AA'称为，导线OO'称为 .
（3）电压U1称为，电压U2称为 .
5. 额定电压均为220V的三个相同灯泡，按星形接法连接在线电压为380V、相电压为220V 的三相电路上，如果电路的中性线断了，又将一个灯泡从电路中取下，这时电路中每个灯泡两端的电压为 V.
6. 如图所示电路是一个半波整流电源的电路图，其中二极管起到的作用是将AB端输入的交流电流变为直流电流，这种直流电流的波形是一种脉冲波，输出电压的波动幅度比较大，为了得到比较稳定的直流电压，在电源电路中引入了一段π形滤波电路，它由两个电容器和一个电感线圈组成，请分析电容和电感线圈在该电路中的作用。

综合测试答案
1. C 解析：由口诀电感是“通直流，阻交流；通低频，阻高频”
电容是“通交流，隔直流；通高频，阻低频”本题刚好让同学仔细体会口诀的内涵。

2. C 解析：与上一题同理，注意此题中电容C对电流无影响。

3. 三组；最大值；周期；1／3
4. （1）星形；（2）相线；中性线；（3）相电压；线电压
5. 190
6. 电容器具有通交流阻直流的作用，可以给整流后的脉冲电流形成一个回路，从而过滤一部分交流电流，直流电则不可能通过电容；电感线圈则具有通直流阻交流的作用，它可以对交流电形成阻碍，而直流电则可以顺利的通过，因此，通过此滤波电路可以得到比较好的直流电输出。