電磁振盪 與 電流
LC 電路
貯存電能(電荷)的電容元件與建立磁場
LC 振盪的定量分析
質量塊-彈簧振盪器
此系統任一時刻總能是
U = Ub + Us = 1/2 m v2 + 1/2 k x2
這是一個與時間無關的常數,故其對時間的一階導數為零。對上式作對時間微分一次並令為零,並利用 v = dx/dt 、dv/dt = d2x/dt2 的既有關係,得到運動方程式
d2x / dt2 + k/m x = 0
上式的通解是
x = X cos(ωt + φ)
LC 振盪器
U = UB + UE = 1/2 L i2 + q2 /2C
dU / dt := 0 (令為零)
d2q / dt2 + (1/LC) q = 0
(回想彈簧質量塊系統:d2x/dt2 + (k/m) x = 0)
其解的時間函數變化如下:
通解形式 q(t) = qmax cos( ω0 t - φ)
解出之角頻率
ω0 = 1/ √(LC)
觀察
電荷值 q 乘上電位就是電能作功 (不是電位能),因此電荷就像力學問題中之位置。
電流 i 好像速度,與摩擦力(耗能)有關。
則 di/dt 就相當於力學問題中的加速度,故 L di/dt 項中之電感 L 即相當於質量,與慣性有關(重從前章知此磁場一旦在空間中被建立,就不願平白無故消失,)。
LC 振盪的應用
收音機(原理見下)、電視的選台器。
關鍵是共振。
RLC (串列)電路
交流電
交流電動勢
使用交流電的主要好處是它可以透過變壓器改變電位差的大小,另一個好處則是交流電更適合發電機、馬達等轉動式電機機械的的運作方式,見圖,一個交流發電機:
E = Emax sin ωdt
其中 ωd 叫做驅動頻率。若此發電機是迴路的一部分,則將在迴路中造成一個正弦變化的電流
i = I sin (ωdt - φ)
注意這�媢q流中多了相位,這是因為電流不一定跟電動勢同相位。
強迫振盪
三種負載電路
電阻性負載
E - vR = 0
移項
vR = Emax sin ωdt
對電阻,VR = Emax (振幅)
vR = VR sin ωdt
求電流,寫下電流滿足的方程式
iR = vR / R = VR/R sin ωdt
故電流可寫成
iR = I R sin ( ωdt - φ)
其中相位常數 φ = 0 ,且定義
VR = IR R
此關係可用之任何 AC 電路中之電阻,見圖。
電容性負載
如圖
vC = VC sin ωdt
其中 VC 是電容器兩端的電壓振幅,由電容的定義,此電壓來自
qC = C vC =C VC sin ωdt
求電流,找出電流滿足的方程式
iC = d qC / dt = ωd C VC cos ωdt
想把 iC 表示成標準形式以利比較
iC = I C sin ( ωdt - φ)
iC = (VC / XC) sin ( ωdt + 90.deg)
則須定義 "容抗" (capasitive reactance)
XC = 1/ ωd C
且電流之相位常數為 -90 度。
放故對電容之負載而言,電壓振幅與電流振幅的關係是:
V C = I C X C
見圖。
我們可以清楚看到,-90 度相位差來自於因為電流的積分才同步於驅動電動勢。
電感性負載
裝置如圖
感應電動勢來自驅動電動勢
vL = VL sin ωdt
而它與電流的關係是
vL = L diL / dt
故
diL / dt = VL/ L sin ωdt
diL = VL/ L sin(ωdt) dt
iL = ∫ diL = ∫ VL/ L sin(ωdt) dt = - (VL/ ωdL) cos(ωdt)
一樣為了表為標準形式
定義 "感抗" (inductive reactance)
XL = ωd L
得
iL = IL sin ( ωdt - φ)
φ= 90 deg
VL= IL XL
(compare V = I R, VC = IC RC)
見圖
RLC 串聯迴路
由於是串聯,因此流經各元件的電流都是同一個電流函數
i = I sin(ωdt - φ)
(請注意,若非如此,將導致淨電荷累積於迴路某處,即便是電容器也無法接受。)
我們要求的是電流值 i 與相位角 φ,本節用的是相位圖這種簡化的方法求解。
電流振幅
由迴路法則,電位需滿足
E = vR + vC +vL
把電壓(電動勢)用相量 (phasor) 表示出來,如圖 31-14,上式等號右邊是 (b) 圖、等號左邊是 (c) 圖。
vC 、 vL 先組合而得 (d) 圖,最後再用畢氏定理,得出關係
Emax2 = VR2 + (VL - VC)2 = I2 (R2 + (XL - XC)2)
表示為電流振幅,則為
I = Emax / √(R2 + (XL - XC)2)
定義 "阻抗" (impedance)
Z ≡ √( R2 + (XL - XC)2 )
則電流振幅為
I = Emax / Z
上式代入 XL 與 XC 的原定義值,各元件的特性量比較看得清楚:
I = Emax / √(R2 + (ωdL - 1/ωdC)2)
我們可以看到,I 的值是 ωdL 與 1/ωdC 的差距決是的。
以上描述的是接上交流電動勢後的穩定狀態(steady-state),當電動勢剛接上電路時,會產生一個暫態電流 (transient current)。此暫態時間是由 L/R 及 RC 兩個時間常數決定的。若未經仔細的計算與電路設計,暫態電流有可能會在電源一開動時毀壞一個馬達,比方說。
(譯本提到,暫態電流可能會非常大,為什麼?)
相位常數
從圖 31-14 (d) 可看出相位角 phi 具有以下關係
tanφ = ( VL - VC ) / VR = ( IXL - IXC ) / IR = ( XL - XC ) / R
這就是相位常數。
相位特性可以分為下面三種情形:
XL > XC:電感成份大於電容成分,相位角為正值。
XL < XC:電容成份大於電感成分,相位角為負值。
XL = XC:共振,此時相位角為零度。
共振
對給定的 R 值,最大電之振幅發生在
ωdL = 1/ωdC
即
ωd = 1/ √(L C)
其實 RLC 電路(R 不大者)的自然頻率是 1/ √(L C),此即共振。
小 ωd 時,是感抗小、容抗大;大 ωd 時,是容抗小、感抗大。
共振曲線低頻的部分由容抗所支配,高頻的部分由感抗所支配(低頻電流有利充電,而高頻電流造成電磁感應大)。
RLC (串列)交流驅動電路 (公式美化版)
如何求解以下迴路?
普物的難度設定,使用 phaser Im 來描述 電流
前面已看到,交流電動勢的影響下,
電阻上的電流 i 與其跨元件電壓 VR 同相位
電容 上的電流 i 領先其跨元件電壓 VC 90 度
電感 上的電流 i 落後其跨元件電壓 VL 90 度
迴路上的電壓為之元件的總和(交流電動勢的影響已分別加諸在各別跨元件電壓上)
V = vR + vC + vL
由相位關係,視 V 為 phaser Vm 的投影,
有
Vm2 = VR2 + (VL - VC)2
而 VR、VL、 VC 從前面的結果,且同一(串列)迴路上電流只能相同,有
Vm2 = (Im R) 2 + (Im XL - Im XC)2
移項可解出 Im
由這�堜w義出 impedance (阻抗)這個量,對決定此迴路上電流振幅大小是很有用的(也得到了簡化的圖像 Vm/Z)
接下來,繼續解電流的相位
討論
交流電路中的功率
RLC 電路中能量的來源是發電機,該能量一部分貯存於電容器的電場中,一部分貯存於電感器的磁場中,剩下的則在電阻器以熱能的方式消耗掉。。
P = i2 R = [I sin(ωdt - φ)]2 R
sin2 θ 的週期平均是 1/2
故
Pavg = 1/2 I2 R = (I/ √2)2 R
定 Irms = I/ √2
Pavg = Irms2 R
同法,可定
Vrms = V / √2 及 Erms = Emax / √2
現在,由於 Irms = I/ √2 且 Erms = Emax / √2 ,都差一樣的√2
我們也可以把之前建立的 I = Emax / Z 改寫為很常用的形式
Irms = Erms / Z
如此可得
Pavg = Irms Irms R = (Erms / Z) Irms R = Erms Irms (R/Z) = Erms Irms cosφ
以上是平均功率的公式,其中 cosφ 稱為功率因子 (power factor)。要達到輸能至電阻的最大功率,需使 cosφ 接近 1。
變壓器 (transformer)
變壓器除了變壓外,另一個應用是協助電動勢源與耗電能裝置之間達到阻抗匹配(何謂阻抗匹配?打沙包的例子),才提昇功率傳遞的效率(為什麼?)。
台電又被踢爆 黑心變壓器燒錢 2 億
http://www.libertytimes.com.tw/2012/new/may/5/today-fo1-2.htm
電力配送:能傳輸的需求
Pavg = E I
(7.35 × 105 V ) ( 500 A) = 368MW
Pavg = I2 R
(500 A)2 (220 Ω) = 55 MW
損耗約 15%
電壓降低成一半
(1000 A)2 (220 Ω) = 220 MW
己達 60% 的損耗
理想變壓器
基於用電的安全(低電壓)與降低傳輸的損耗(高電壓),我們需要使用變壓器來改變電位差。而保留 "電流×電壓" 的積是定值。(沒有直流的變壓器)
見圖 31-18,開關在 S ,線圈(有絕緣)繞在鐵芯上(鐵芯本身再片狀絕緣貼合,以減少渦電流)。
因為 E = - d(NΦB)/dt
所以 Eturn = E/N = - dΦB / dt
由於磁通量是相同的,因此主 (primary) 線圈與次 (secondary) 線圈的每匝電動勢是一樣的,
Eturn = Vp / Np = Vs / Ns
Vs = Vp (Ns/Np)
若匝數 Ns > Np ,則 Vs > Vp ,就叫升壓變壓器。
若開關 S 打開(斷路),則
迴路在開關 S 關上(通路)後會發生的事:
(見課本描述)
假設無能量損失,則發電機到主線圈的能量傳送率 Ip Vp 就會等於 Is Vs,因此有
Is = Ip Np / Ns
上式告訴我們,電流的轉換亦取決於匝數比。
出現在主電路的電流 Ip 是因為有電阻頁載 R 在副電路上,要找出 Ip ,由上式
Ip = Is Ns / Np
再拿 Is = Vs / R ,並且用上了前面已有之 Vs = Vp (Ns/Np),則得
Ip = 1/R (Ns/Np)2 Vp =Vp / Req
其中 Req = (Np/Ns)2 R ,是主線路因副線路內有電阻負載而感受到的等效電阻。
阻抗匹配
若要讓電率勢最有效轉列電阻性負載上,則阻抗要匹配,即主、副線路阻抗相當。
太陽活動與輸電網路
見圖
美國草原大火延燒16公頃 揪出禍首竟是他們
http://news.ltn.com.tw/news/world/breakingnews/2175563
整流器
使用二極體
整流電路
如果在加上電容器,會讓電流的變化更穩定(更像直流電),叫做濾波。