RC/RL/LC 电路

电阻器 'R'、电感器 'L' 和电容器 'C' 是基本电路元件，每个元件都有不同的特性，是所有现代电气设备的基础。

电阻器是一种耗散能量的电子元件，通常以热量的形式。相比之下，电容器在电场中存储能量，而电感器在磁场中存储能量。

当电阻器、电容器和电感器连接在一起时，电路显示与时间和频率相关的响应，可用于交流信号处理、无线电、电气滤波器和许多其他应用。

本视频将说明电阻电容和电阻电感电路的行为，并展示电阻能量损失很小的电感电容电路中的振荡。

让我们了解一下电流和电压在涉及电阻器、电感器和电容器的电路中的行为。

首先，我们来谈谈电阻器与电容器串联的电路，称为 RC 电路。当开关闭合时，电压源的输出施加在两个组件上，电流开始流动。由于电容器最初未充电，因此其端子上的电压为零。因此，所有电压源的输出都出现在电阻器上，电流处于最大值。

如果我们看一下电压和电流随时间的关系图，最初 VR 等于源电压，电容器"VC"两端的电压为零，电流达到最大值。当电流为电容器充电时，"VC"增加。作为响应，VR 减小，因此电流也下降，符合欧姆定律。最终，电阻电压为零，电流停止。

对于由电阻器和电感器串联组成的 RL 电路，也可以进行类似的分析。在开关闭合的瞬间，突然的电荷流动在电感器中产生磁场，其电压"VL"等于源的电压。因此，初始 VR 为零，因此初始电流也为零。

现在，为了监控这些变化，我们像以前一样看一下电压和电流图。随着时间的推移，随着电感电压的降低，电阻两端的电压会增加，因此电流也会增加。最终，电感电压为零，所有电压源输出都穿过电阻器，电流处于最大值。

RC 和 RL 电路中电流和电压瞬变的衰减是由电阻器中的能量耗散引起的。相比之下，具有连接到电感器的电容器的 LC 电路理想情况下没有电阻或能量损失，并且表现出非常不同的行为。

如果该电路中的电容器充电至电压 V，然后连接到电感器，则电容器中存储的电能将转移到电感器并转换为磁能。然后电感将其能量传输回电容器，然后该过程反转，电流沿相反方向流动，这个过程无限期重复，每个组件上的电压随时间呈正弦波荡。

像这样的 RLC 电路在 LC 电路上增加了一个电阻器。这种配置中的振荡会减弱，因为 resistor 在每个周期中都会耗散能量。最终，当电压和电流衰减到零时，振荡停止。

现在我们已经解释了 RC、RL 和 LC 电路的基础知识，让我们来看看它们在实验室中的行为。

获得一个示波器、一个电阻为几欧姆的小灯泡、一个开关和一个直流电源或 1.5 伏电池。组装此电路并保持开关打开。

选择示波器的垂直刻度为每格 1 伏特，将时间刻度选择为每格 1 秒。稍后可能需要调整这些设置，以便在各种测试期间以最佳方式查看信号。

合上开关，为灯泡通电。

因为灯泡的作用类似于电阻器，所以通过它的电流与电压成正比。如示波器轨迹所示，当开关关闭时，灯泡立即变亮，当开关打开时，灯泡立即变暗。

如图所示，用与灯泡串联的 1 法拉电容器组装电路。请注意，示波器测量电阻两端的电压。保持开关打开状态，直到测试开始。

合上开关并观察灯泡和示波器轨迹。灯泡在变暗之前会短暂发光，因为当电压突然变化时，当开关闭合时，电容器会通过电流。随着时间的推移，由于灯泡电阻和电容，通过电路的电流会衰减。

打开开关并通过将第二个灯泡与第一个灯泡并联来修改电路。

再次合上开关。观察灯泡和示波器轨迹。两个并联的灯泡比单个灯泡的打开和关闭速度更快。这是因为两个灯泡的并联电阻小于单个灯泡的电阻。由此产生的电路具有更短的电流下降和更快的响应。

将此电路与灯泡串联的 1 milli Henry 电感器组装在一起。保持开关打开状态，直到测试开始。

合上开关并观察灯泡和示波器轨迹。灯泡需要很短的时间才能打开，因为当电压突然变化时，例如当开关闭合时，电感器传导的电流很小。

随着时间的推移，电感的电流（以及通过灯泡的电流）接近稳态水平。打开开关，将第二个灯泡与第一个灯泡并联。

再次合上开关。观察灯泡和示波器轨迹。两个并联灯泡的打开和关闭速度比单个灯泡慢。这是因为两个灯泡的并联电阻小于单个灯泡的电阻。

将此电路与一个 10 微法拉电容器和一个 8 毫克利电感器以及连接在电容器对面的示波器组装在一起。关闭开关 1 为电容器充电，并保持开关 2 打开，直到测试开始。

打开开关 1 以断开电压源与电路的连接。关闭开关 2 并观察示波器。电感电压振荡，并且可能会因电路中导线的小电阻而表现出一些阻尼。振荡周期约为毫秒，这与基于电容和电阻值的预期时间一致。

电阻器、电容器和电感器是简单的元件，但使用它们的 RC、RL 和 LC 电路具有复杂的行为，因此在电子信号处理、定时电路和滤波器中实现了许多应用。

在这个例子中，研究人员在小鼠体内植入皮下无线电发射器，以研究它们自由移动时的血压。无线电接收器通常使用电感电容电路从截获的射频 （RF） 能量的宽带中选择特定频率。正确的频率携带所需的信息，以便通过接收器中的附加电子设备进行放大和进一步处理。

脑电图仪测量大脑中的电活动。放置在头皮上的电极可在很宽的频率范围内拾取毫伏级信号。RC、RL 和 LC 电路是滤波器的一部分，可减少电气干扰和伪影，从而有助于获取有意义的数据。

您刚刚观看了 JoVE 对使用电阻器、电容器和电感器的电路的瞬态行为的介绍。现在，您应该了解RC、RL和LC电路的基础知识，以及这些电路之间的区别。感谢观看！