RC和RL电路的暂态过程
暂态过程
§4-5暂态过程一、RL 电路的暂态过程如图，当电键K 合到a 点时，电路中的电流从零开始增长，所以在线圈中将产生感应电动势，从而产生感应电流，这个感应电流阻碍原电流的增长，所以使回路中的电流不能立即达到稳定值I0，也就是说，当直流电动势接入电路后，电流值从零增长到稳定值需要一个暂短的过程，这个过程叫暂态过程。
同理，当电流达到稳定值后，如突然把电键从a 断开合到b ，即把电源电动势突然从电路中撤去，电路中的电流开始下降，此时线圈中也将产生感应电动势，阻碍原电流的下降，所以回路中的电流不能立即降为零，这个过程也叫暂态过程。
先讨论直流电动势突然引入回路的情况：如果电路中没有线圈，当K 合上时，回路中的电流几乎立即达到稳定值R I ε=0。
现在回路中有线圈存在，当K 合到a 点时，回路中的电流从无到有随时间变化，所以0≠dt dI ，于是在线圈中产生自感电动势dtdI L L −=ε。
这个感应电动势和原电动势串联在电路和中，选取逆时针方向为回路绕行方向，此时感应电动势为顺时针方向，得到：0=−−dt dI l IR ε，我们用分离变量法求解这个一阶线性常系数非齐次微分方程：初始条件为： 分离变量得： 两边积分：利用初始条件t=0时I=0代入上式得：而这就是在开关接通后电路中电流I 的变化规律，下图画出了I 随时间t 的变化曲线：在RL 电路的暂态过程中，电流I 以指数方式随时间t 增长，最后达到稳定值。
从理论上说，要达到稳定值I 0须经过无限长的时间，但实际上，当即经过时间τ，电流以达到稳定值的63％，所以τ反映电流达到稳定值的63％所须的时间，称为回路的时间常数。
当电流达到稳定值后，突然把电键合到b ，电源突然从回路中撤去，电流从I 0急剧下降，于是0≠dtdI 线圈中产生感应电动势，企图阻碍电流的减少，仍取逆时针方向为回路的绕行方向，回路方程为：初始条件为：方程分离变量，两边积分得：式中，τ为回路的时间常数，这就是当电源电动势突然撤去时后回路中电流的变化规律，它以指数的形式随时间下降，当τ=t 时，电流下降到I 0的37％。
实验二十rlc串联电路的暂态过程
实验二十 RLC 串联电路的暂态过程电路的暂态过程就是当电源接通或断开后的“瞬间”，电路中的电流或电压非稳定的变化过程。
电路中的暂态过程不可忽视，在瞬变时某些部分的电压或电流可能大于稳定状态时最大值的好几倍，出现过电压或过电流的现象，所以如果不预先考虑到暂态过程中的过渡现象，电路元件便有损伤甚至毁坏的危险。
另一方面，通过暂态过程的研究，还可以从积极方面控制和利用过渡现象，如提高过渡的速度，可以获得高电压或者大电流等。
【实验目的】1．研究RC 串联电路的暂态特性。
2．研究RLC 串联电路的暂态特性。
3．加深R 、L 和C 各元件在电路中的作用。
【预习重点】1．RC 电路、RLC 电路的暂态特性。
2．电阻、电容元件的功能。
3．示波器的原理和使用方法。
【实验原理】1．RC 串联电路RC 串联电路的暂态过程就是当电源接通或断开后的“瞬间”，电路中的电流或电压非稳定的变化过程。
将电阻R 和电容C 串联成如20-1所示的电路图，当K 与“1”接通时，其充电方程为： q iR E C+= （20.1） 或写成 dq q R E dt C+= （20.2）图20-1 RC 串联电路的暂态过程示意图上述方程的初始条件是0)0(q =，因此可以解出式（20.2）的解/(1)t q Q e τ-=- （20.3） 式中 τ（RC ）称为RC 串联电路的时间常数，单位为秒；Q （EC =）为电容器C 端电压为E 时所贮藏的电荷量大小，单位为库仑；q 为t 时刻电容器贮藏的电荷量。
由式（20.3）可计算出电容和电阻两端的电压与时间关系的表达式：//(1)t c U q C E e τ-==- （20.4）/t R dq U REe dt τ-== （20.5） 当K 与“0”接通时，放电方程为：10dq R q dt C+= （20.6） 根据初始条件 (0)q Q EC ==，可以得到/t q Q e τ-= （20.7）/t C U E e τ-= （20.8）/t R U E e τ-=- （20.9）由上述公式可知，C U ，R U 和q 都按指数变化，τ值越大，则C U 变化越慢，即电容的充电或放电越慢。
长江大学物理实验报告RC,RLC电路的暂态过程
大学物理课题RC、RLC电路的暂态过程教学目的 1、观察RC电路的暂态过程，理解时间常数τ的意义。
2、观察RLC串联电路的暂态过程及其阻尼震荡规律。
重难点 1、观察RC电路的暂态过程，理解时间常数τ的意义；学会测量RC暂态过程半衰期的方法，并由此求出时间常数τ。
观察RLC串联电路的暂态过程及其阻尼震荡规律。
2、理解当L、C一定时，R值的不同导致RLC电路出现三种不同的阻尼震荡的原因。
教学方法讲授与实验演示相结合。
学时 3学时。
一．前言RC串联电路与直流电源相接，当接通电源或断开电源的瞬间将形成电路充电或放电的瞬态变化过程，这瞬态变化快慢是由电路各元件量值和特性决定的，描述瞬态变化快慢的特性参数就是放电电路的时间常数或半衰期。
本实验主要研究当方波电源加于RC串联电路时产生的RC瞬态放电曲线及用示波器测量电路半衰期的方法；同时还要了解方波电源加于RLC串联电路时产生的阻尼衰减震荡的特性及测量方法。
二．实验仪器FB318型RLC电路实验仪，双踪示波器。
三．实验原理1、RC电路的瞬态过程电阻R与纯电容C串联接于阻为r的方波信号发生器中，用示波器观察C上的波形。
在方波电压值为U0的半个周期时间，电源对电容C充电，而在方波电压为零的半个周期，电容器捏电荷通过电阻（R+r）放电。
充放电过程如图所示，电容器上电压U C随时间t的变化规律为U C= U0[1-e-t/(R+r)c] (充电过程) （1）测RC充放电电路tRC放电曲线U C= U0e-t/(R+r)c（放电过程）（2）式中，(R+r)c称为电路的时间常数（或弛豫时间）。
当电容C上电压在放电时由U C减少到U0/2时，相应经过的时间成为半衰期T1/2，此时T 1/2=（R+r ）c ㏑2=0.693（R+r ）c (3) 一般从示波器上测量RC 放电曲线的半衰期比测弛豫时间要方便。
所以，可测量半衰期T 1/2，然后，除以㏑2得到时间常数（R+r ）c 。
一阶RC和RL电路的暂态分析V图1V图2
一阶RC 和RL 电路的暂态分析如图1所示，在开关动作以后，电路将出现暂态。
开关初始状态是打开的，所以电路中没有电流，i ＝0，并且vR =0。
电容两端的电压vc 未知，是我们要确定的量。
它可能等于零（vc = 0），也可能已经被充电（vc =）。
0V图1我们假定在开关闭合前的电容已处于稳态，或者称为稳定状态。
电容两端的电压vc =，开关在t ＝0时闭合，闭合后的电路如图2所示。
0V图2开关闭合后，电路中开始出现电流。
电容中贮存的能量，其大小为221C C Cv E =将会逐渐以热量的形式消耗在电阻上。
在经过一段时间以后，电路中的电流将会变为零，电路达到一个新的稳定状态，此时i =0，vc =0，vR =0。
电路的暂态特性描述的是电路从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程。
这节课我们将学习如何描述和理解这种暂态现象。
RC 电路的零输入响应我们首先研究零输入的RC 电路， 如图3所示。
图3我们假定电容是理想的，而且电容两端的电压在开关动作之前已经被充电至。
在t ＝0时，开关闭合。
电路中开始出现电流，在t >0时，我们得到的电容两端电压是一个关于时间t 的函数。
因为电容两端的电压应该是连续的，所以在时，=。
00V vc t =−=c v +=0t c v 0V我们首先要做的是得到这个电路的特性方程，可以通过基尔霍夫定律求解。
这里我们使用基尔霍夫电压定律：0)()(=+t v t v c R （0.1）由电阻以及电容的电压电流关系，可得方程0)()(=+t v dtt dv RCc c （0.2） RC 与时间具有同样的单位，即（Ohm ）（Farad ）→seconds （s F =•Ω）。
RC 称为电路的时间常数，通常用τ来表示，即RC =τ。
式（0.2）与电路的初始状态有关，电容初始电压00V vc t ==决定了电路在t >0时的特性。
实际上，由于电路中没有任何电源作用，所以这种特性也叫做电路的自然响应。
RLC串联电路的暂态特性
RLC 串联电路的暂态特性实验目的1． 通过对RC 和RL 电路的暂态过程的学习，加深对电容和电感特性的认识。
2． 考察与研究RLC 串联电路的暂态过程的三种状态。
3． 学习实验方波信号与双综示波器，显示暂态信号。
4． 学习实验数字式示波器，了解示波器的存储、输出功能。
实验原理(1) RC 串联电路在由R 、C 组成的电路中，暂态过程是电容的充放电的过程．其中信号源用方波信号．在上半个周期内，方波电压+E ，其对电容充电；在下半个周期内，方波电压为零，电容对地放电．充放电过程中的回路方程分别为RC RC 0cc cc dU U E dtdU U dt =+==+=通过以上二式可分别得到、的解。
半衰期1/21/2ln 20.693(=1.443T T τττ==或） (2) RL 串联电路与RC 串联电路进行类似分析可得，RL 串联电路的时间常数t及半衰期分别为1/2/,0.6930.693/L R T L R ττ===(3) RLC 串联电路在理想化的情况下，L 、C 都没有电阻，可实际上L 、C 本身都存在电阻，电阻是一种耗损元件，将电能单向转化成热能。
所以电阻在RLC 电路中主要起阻尼作用。
所以根据阻尼震荡方程可以三种不同状态的解，分别为欠阻尼、过阻尼和临界阻尼。
实验仪器方波信号发射器、数字式存储示波器、电阻箱、电容箱、电感等。
实验内容1．RC电路的暂态过程研究：q-t曲线的观测：按图示连接，实验建议取电容C=0.05μf，方波发生器输出频率f=1Khz，分别取电阻R=1kΩ、10kΩ，观察双综示波屏幕上同时出现的方波与UC信号。
按屏幕显示将它们绘制在同一毫米方格纸内。
考察不同RC曲线是否与理论分析符合。
再调节R，使之逐渐增加到90kΩ，可以发现图形发生明显变化，类似三角波，分析说明为什么会产生三角波形？I-t曲线的观测：因为U R=iR，电流I(t)与U R(t)随时间t变化的规律相同，所以电阻R 的两端电压波形U R(t)和电流波形I(t)等效。
RCRLC电路的暂态过程
RCRLC电路的暂态过程在电路分析中，RC和RLC电路是两种常见的电路类型。
RC电路由一个电阻和一个电容器组成；RLC电路由一个电阻、电感器和电容器组成。
在这两种电路中，可以观察到暂态过程，也就是初始状态到恢复稳态的过程。
接下来我们将重点讨论RC电路和RLC电路的暂态过程。
首先，我们来讨论RC电路的暂态过程。
当RC电路开始工作时，初始电压通过电阻和电容器进行放电。
初始时，电容器上的电压等于电压源提供的电压，而电流经过电阻器。
然后，根据基尔霍夫电压定律，电容器电压和电阻电流之和等于电源电压。
这导致电压和电流随着时间的推移而逐渐减小，直到达到稳态。
在暂态过程中，电容器的电压和电阻的电流满足以下方程：Vc(t)=V0*e^-(t/(RC))I(t)=I0*e^-(t/(RC))其中，Vc(t)表示电容器的电压随时间的变化，V0是初始电压，t是时间，R是电阻值，C是电容器的电容值。
I(t)表示电阻的电流随时间的变化，I0是初始电流。
从上述方程中可以看出，电容器的电压和电阻的电流随着时间不断减小，且速度随时间的增加而减小。
在t=0时刻，电容器的电压等于初始电压V0，而电阻的电流等于初始电流I0。
随着时间的推移，电压和电流以指数速度减小。
当t趋于无穷大时，电容器的电压和电阻的电流趋于0，电路达到稳态。
接下来我们来讨论RLC电路的暂态过程。
与RC电路类似，RLC电路的暂态过程也涉及电感器和电容器。
当RLC电路开始工作时，电感器和电容器都储存了一定的能量。
在暂态过程中，电容器的电压和电感器的电流随时间的变化遵循以下方程：Vc(t)=V0*e^-(t/(RC))I(t)=I0*e^-(t/(RC))+(V0-Vc(t))/L其中，Vc(t)表示电容器的电压随时间的变化，V0是初始电压，t是时间，R是电阻值，C是电容器的电容值。
I(t)表示电感器的电流随时间的变化，I0是初始电流，L是电感器的电感值。
从上述方程中可以看出，与RC电路不同，RLC电路中的电压和电流是相互影响的。
4 RC和RL电路暂态过程
电流 i 也可以通过 三要素法直接求得
s(t=0) i
uC
换路后的电路
2Ω 10V
5Ω
i
uC
2Ω 10V
i1
5Ω
i
uC
i2 i 的初值
uC (0 ) 5V
i1 (0 ) 2.5A i(0 ) 1.5A
i 的终值
i2 (0 ) 1A
i() 0
t
i i() [i(0) i()]e
1.5e A
7 t
例：
i
S(t=0)
iL
求电路中的电流 i和iL。 解：
1、求初值 iL (0) iL (0) 2 A 2、求终值
iL () 3 A
i
S(t=0)
iL
L 4 2S 3、求时间常数 R0 2
4、 iL iL () [(iL (0) iL ()]e
入“新稳态”，此时u、i 都处于暂时的不稳定状态，
所以过渡过程又称为电路的暂态过程。
三要素法
（仅适用直流激励）
f(∞)
f(0+) o f(t)
f(0+)
f(∞)
f(t)
t
o
t
三要素 公式：
初始值 稳态值
f(0+) f(∞)
t
时间常数τ
f (t ) f ()＋ f (0) f () e
uC
3、求时间常数
2Ω 5Ω
R o = 2//5=10/7 Ω
10 1 R0C 0.1 S 7 7
R0
s(t=0) i
uC
4、 uC uC () [uC (0) uC ()]e
RC、RL电路的暂态过程
（5）比较测量所得的时间常数与用元件示值 代入公式计算得到的时间常数值。
注意事项
（1）更换或连接示波器、信号发生器的连 接线应顺时针方向旋进或逆时针方向旋出， 严禁直接用力拔插。 （2）连接线的倍率放置在1档。
思考题
（1）在RC电路中，固定方波频率f改变电 阻R1，为什么会有各种不同的波形？固定 R1改变 f，为什么也会得到类似的波形？ （2）在RL电路中，固定方波频率f改变电 阻R1，为什么会有各种不同的波形？
Auto set
选择键
秒／格
返 回 目 录
Auto set
选择键
选择键
选择键
秒／格
水平位置
伏／格
CURSOR
选择键
光标旋钮
选择键
光标旋钮
操作过程
介绍如何应用 “NI Signal Express Tektronix Edition”软件来把黑白数字示 波器采集到的波形给打印出来。
（２）选择合适波形测量半衰期。利用示波器‘光标’ 测量T1/2（同上一步方法类同）。计算理论值的半 衰期T1/2，并对半衰期T1/2的理论值和实测值进行比 较。 （3 ）通过比较会得到一个实测值与理论值最接近的 波形，将此波形给打印出来并标出所对应的电阻值。
注意：计算时间常数L/R时，R=R1+RL+Rs，其中 RL为电感的阻值。
或电流可能大于稳定状态时它最大值的好 几倍，出现过电压或过电流现象，
实验背景
所以，如不预先考虑到暂态过程中暂态 现象，电路元件便有损伤甚至毁坏的危 险。另一方面，通过暂态过程的研究， 还可以从积极方面控制和利用过渡现象， 如提高过渡的速度，可获得高电压或者 大电流。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
RC和RL电路的暂态过程
一、内容提要：
本讲主要讲的是RC和RL电路的暂态过程、变压器与电动机、半导体二极管及整流、滤波和稳压电路
二、本讲的重点及难点是：
RC串联电路中的过渡过程、变压器的有关计算、三相异步电动机的转速、电磁转矩、功率、效率和功率因数的计算、半导体二极管的伏安特性等。
三、内容讲解：
1、RC和RL电路的暂态过程
过渡过程（暂态过程）：电路从一种稳定状态到另一种稳定状态中间发生的转换过程。
换路：电路条件的变化，例如电路的接通与断开、短路、电压改变或电路参数改变等，称之为换路。
产生暂态过程的原因：外因是电路发生换路，内因则是电路中含有储能元件，它们所储存的能量不能跃变，其积累和消耗都需要一定的时间，故而发生暂态过程。
（一）换路定律：
定义：在换路发生的前后瞬间，电容上的电压和电感上的电流都应当保持原值而不能跃变，这叫做换路定律或开闭定律。
用公式表示即为。