2024年1月31日 星期三

不同阻抗的電壓總和_相位移測量篇

上一篇提到交流電串接電容時,電流會超前90度
串接電感時,電壓會超前90度


用示波器來看看相位
電容電壓是橘線,電源電壓是藍線
橘線超前藍線(向右為正)



但串接電感時,電感電壓是橘線,電源電壓是藍線
此時橘線落後藍線



啊不是說交流電串接電感時,電壓會超前90度嗎!!
為甚麼橘線會落後藍線?

這個問題就要回到電表的工作原理來看了
很多實際生活發生的事(不是課本的理想狀況)
如果要了解透徹,科學和工程是不能分家的

不管是伏特計或安培計
基本上都是一個分流電路
儀器讀取分流出來的電流
再利用這個電流來換算電壓
細節可以看這篇這篇

所以電表不管測量電壓還是電流
其實真正讀取的物理量都是「電流」
數位電表再把這個電流通過一個精密的取樣電阻換算成電壓
指針電表則是把這個電流利用磁效應變成指針偏轉
示波器基本上就是一個高速抓取資料的伏特計
因此我們必須從電流來看才是正確的

串接電容,電流超前
所以橘線在前


串接電感,電壓超前,也就是電流落後
因此橘線在後


這樣就會符合理論的推導結果了

很多儀器的設計如果不清楚
反而會在學習過程中產生反效果
這也是身為老師必須要留意的

不同阻抗的電壓總和_相位移原理篇

電阻串聯電容(RC circuit)或電感(RL circuit)為甚麼會產生相位差?
這就要回到電容和電感的特性開始說起
這件事其實已經研究了好幾年
看了幾十篇資料,但沒有一篇說得明白
大部分都是含糊帶過
其實如果沒有配合實驗,真的不容易理解
真的不要再只是搞理論和計算
這只適合天才,我們都不是啊~~

電感的本質就是線圈
線圈在遇到電流變化時會產生一個感應電動勢 ε
當電流突增,感應電動勢反向生成(抵銷突增的磁場)
電流突減,感應電動勢同向生成(補足突減的磁場)
因此當電感串接在交流電上
交流電的電流會週期性的變化
電感也會產生一個週期性的感應電動勢
使得原本電源的電壓產生位移
位移的角度(相位)剛好就是90度

交流電容(以下就稱電容)比較複雜
基本上可以看成兩片隔離的金屬板
可以聚集電子產生電位差
因為容量小,充電速度極快
也沒有極性的問題,不管哪一邊都可以聚集電子
因此電容在瞬間充滿電之後
就會因為外加電壓的增減釋放不同大小的電流
所以連接交流電時
電容也會產生一個週期性的電流
使得原本電源的電流產生位移
位移的角度(相位)剛好也是90度
每個時間點發生的事可以參考以下筆記


因此我們可以這樣簡單結論
交流電串接電容時,電流會超前90度
交流電串接電感時,電壓會超前90度

再用示波器抓電源波形和電抗(電容或電感)的波形
電容是橘線,電源是藍線



電感是橘線,電源是藍線



可以觀察到串接電容時,橘線超前藍線(向右為正)
但串接電感時,橘線落後藍線
啊不是說交流電串接電感時,電壓會超前90度嗎!!
為甚麼橘線會落後藍線?