这一章提出了一个熟悉又陌生的定义:相量。最开始接触相量是与标量相对应的。标量是只有大小的量。相量是既有方向又有大小的量。电路中的提到的相量与数学中定义,性质,都是一样的。相量的两个要素是大小和方向。
简单介绍如下
复数的各种形式:
电路中提到相量这一概念,无非就是对电路中的物理量电压、电流进行分析。在前几章的学习中,电流、电压的大小和方向有涉及到,也有参考方向这一概念,现在又出现了相量这个概念。既然是提出的新概念,那必然具有不同的意义。书中有说:向量法是分析研究正弦电流电路稳定状态的一种简单的方法。正弦电流电路就是交流电路,也就是说相量法用于分析交流电路。在交流电路的相量分析中,大小不像直流电路那么单一,有幅值,有效值,平均值等很容易混淆的量。而方向表示的不是电流流动的方向,是相位这个概念。幅值、有效值、平均值、相位都是伴随着交流电路的提出而提出的。那交流电路是什么,且看下面介绍:
正弦量:
正弦电流的表达式:i=Imsin(ωt+ji)
三要素:
Im:振幅,也就是正弦波的最大值、峰值,其峰峰值为2 Im
ωt+ji可以表示为随时间变化的相位,单位rad。
ω:角频率,表示的是正弦量随着时间变化的角速度单位rad/s(弧度/秒)。
角频率和周期的关系为:
ωT=2π:转2π所用的时间为一个周期,T。
角频率和频率;
ω=2πf:频率f单位1/s(1/秒),也叫Hz(赫兹);
f=1/T:一秒内转过的周期。
ji:正弦量在t=0时刻时的相位,正弦量的初相位。
有效值
正弦波是一个时刻变化的量,在对正弦波进行计算时,通常将正弦波在一个周期内产生的平均效应换算为等效的直流量,这一等效值被成为周期量的有效值。
注:是周期量在一个周期内的有效值。有效值又叫方均根值(rms)公式如下:
为防止混淆,介绍下平均值的求法。
平均值
与有效值不同,平均值就是周期数值的累加。
有效值的物理意义是将交流作用等效为直流作用,以电流流过电阻为例,当正弦电流为正产生的热量和正弦电流为负时产生的热量相同,产生的效果是相同的,因此采用先平方再开方的方式,来求等效值。而平均值更像是在数学意义上的平均。
圆和三角函数的关系
圆一个周期的弧度是2π,正弦波一个周期的弧度也是2π,他们两个之间是否真的存在联系。如果将第一个图动起来,画圈那么可以得到下图。(附件留有三角函数和圆形的关系的动图)
在这个图中,F是以角速度w匀速转动的,正弦波和余弦波可以看成是圆在y轴和x轴的投影。正弦波和余弦波随着F的转动而变化,而F转动的速度,就是角速度就是正弦和余弦的角速度。
Y=Fsin(ωt+ji)
X=Fcos(ωt+ji)
j=ωt+ji
上式各个变量都是随着时间匀速转动,即ω和t都是统一变化的。可以看到图中表示出来各个变量仅有j和旋转的半径|F|(就是面提到的振幅)这两个要素。如果上图中的变量都以同样的角速度变化。那么可以说这个角速度w,表不表示都不影判断他们之间的关系。如下图:
在初始时刻他们的相位关系如图所示。当他们以角速度w转动时,任何时间他都是F1超前F2的角度为j1-j2,不妨将时间定格在t=0的时刻来表示此关系。这样的表示方法可以将一个变化的,不断旋转的量,用静的、不动的方式表示出来。
相量法分析交流电路
交流电路的输入电压为三角函数正弦或者余弦U=Umsin(ωt+ji)或者U=Umcos(ωt+ji)
而电阻,电感,电容都不能改变电路中电压电流的频率,因此在交流电路中更加着重的分析电流电压量之间大小和相位的关系,此性质满足上述所说的条件,即可以用上述的表示方法来分析交流电路。书中称为:相量法。
表示方法
书中规定:统一用cosine函数表示正弦量。因此
U=Umcos(ωt+ji) 正弦量
U=Um∠ji 相量
相量与正弦量不是等价关系,在知道w后,方可通过相量写成正弦量(推导过程不重复叙述)
电阻的相量形式(注: iR为正弦量,IR为有效值,带电的IR为相量)
电阻的电流,电压同相位。
电感的相量形式:
电感电压超前电感电流90°,j会让相量超前90度。
电容的相量形式:
电感电压落后电感电流90°,-j会让相量落后90度。
相量形式:
可见,R电阻、wl感抗、1/wc容抗,在相量形式中都属于一个地位,统称为阻抗,这种形式的表达使交流电路的分析更加容易、简便。