1.4 電路的無源元件—電阻、電感、電容元件
1.4.1 電阻元件
1.電阻元件
電阻元件是實際電路中耗能特性的抽象與反映。所謂耗能，是指元件吸收電能轉換為其他形式能量的過程是不可逆的。電阻元件只能吸收和消耗電路中的能量，不可能給出能量，故電阻元件屬于無源二端元件。
電學中的電阻元件意義更加廣泛。除了電阻器、白熾燈、電熱器等可視為電阻元件外，電路中導線和負載上產生的熱損耗通常也歸結于電阻元件。
因此，電阻元件是反映材料或元器件對電流呈現阻力、消耗電能的一種理想元件。它的突出作用是耗能。當電流通過電阻元件時，元件兩端沿電流方向會產生電壓降，將電能全部轉換為熱能、光能、機械能等。
電阻元件的參數為電阻R，其單位為歐姆（Ω），比歐姆還大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們的換算關系是：
2.電阻元件的伏安特性
電阻元件兩端的電壓u與通過它的電流i的關系稱為電阻元件的伏安特性。在直角坐標平面上繪制的表示電阻元件電壓、電流關系的曲線稱為伏安特性曲線。
電流和電壓的大小成正比的電阻元件稱為線性電阻元件。線性電阻元件的阻值R是一個常數，符號如圖1-20（a）所示，其伏安特性曲線是一條通過原點的直線，當電流、電壓為關聯參考方向時的伏安特性曲線如圖1-20（b）所示。
電流和電壓的大小不成正比的電阻元件稱為非線性電阻元件。非線性電阻元件的阻值不是常數。圖1-21所示為非線性電阻元件晶體二極管的伏安特性曲線，它是一條通過原點的曲線。今后若不加特殊說明，電阻元件均指線性電阻元件，線性電阻元件簡稱電阻。
圖1-20 線性電阻元件及其伏安特性
圖1-21 非線性電阻元件的伏安特性
3.伏安關系（歐姆定律）
線性電阻元件的伏安特性曲線表明：通過線性電阻的電流i與作用在其兩端的電壓u成正比，即線性電阻元件的電壓、電流關系遵循歐姆定律
電壓、電流取關聯正方向時，歐姆定律還可表示為u=Ri，如圖1-22（a）所示；電壓、電流取非關聯正方向時，歐姆定律還可表示為u Ri=- ，如圖1-22（b）所示。為了避免公式中出現負號，在對電路進行分析、計算時，盡可能采用關聯參考方向。
圖1-22 歐姆定律的兩種形式
注意
“電阻”及其表示符號R既可以表示電阻元件，也可以表示電阻元件的參數。用歐姆定律列方程時，一定要在圖中標明電流、電壓的正方向。
4.電導
令G=1/R，G稱為電阻元件的電導，其單位是西門子，符號為S。用電導表示的電阻元件的歐姆定律如下：
電流、電壓關聯方向時：
i=Gu
對于線性電阻元件，當電阻為無限大、電壓為任何有限值時，其電流總是零，這時把它稱為“開路”；當電阻為零、電流為任何有限值時，其電壓總是零，這時把它稱為“短路”。
5.電阻元件的功率
在電流和電壓關聯參考方向下，任何瞬時線性電阻元件接收的電功率為
6.電阻的測量
電阻的粗略測量可用萬用表的歐姆擋，電阻的精確測量用單、雙臂電橋，絕緣電阻（大電阻）的測量用兆歐表，接地電阻（小電阻）的測量用接地搖表。測量儀表的實物圖及測量方法見第8章常用電工測量儀器儀表及測量技術。
1.4.2 電感元件
1.電感元件
電感元件是實際電路中建立磁場、儲存磁能特性的抽象和反映。電感元件在電路中只進行能量交換，不消耗能量，也屬于無源二端元件。
實際電感線圈的繞組是由導線繞制的，除了具有電感外，總有一定的電阻。其理想化電路模型（忽略電阻）稱為電感元件，簡稱電感，它的圖形符號如圖1-23所示。
圖1-23 線性電感元件的圖形符號
日常生活中常見的電機、變壓器等電氣設備內部都含有電感線圈，收音機的接收電路、電視機的高頻頭也都含有電感線圈。表征電感線圈儲存磁場能量大小的參數稱電感量也稱電感，用L表示。電感的單位是亨利（H），比亨利（H）還小的單位有毫亨（m H）、微亨（μH）。它們的換算關系是
空心電感線圈的電感量L為常數，可視為線性電感；鐵心線圈的電感量L不為常數，可視為非線性電感。本書僅討論線性電感。線性電感元件的圖形符號如圖1-23所示。
2.電感元件的伏安（u- i）關系
電感元件兩端的電壓和通過電感元件的電流的伏安關系為
電感元件的伏安關系說明，當通入電感元件的電流為穩恒直流電時，電感兩端的電壓為零，故在直流電流作用下電感元件相當于短路；當電壓u L為有限值時，電流的變化率也為有限值，即電感元件的電流只能連續變化，不能躍變。電流變化時必有自感電壓產生，故電感元件又稱為動態元件。
3.電感元件的儲能
電感元件是儲能元件，以磁場方式儲能。其儲存的電能與自身的電感和流過它本身的電流的平方成正比：
電感量的單位是亨利（H），電流的單位是安培（A），磁場能的單位是焦耳（J）。
上式表明，電感元件總是從電路中吸收電能，并把吸收的電能以磁場能的形式儲存于電感元件周圍。
4.電感元件吸收的功率
電感元件的吸收功率與電流大小和電流的變化率有關，與電阻不同。
1.4.3 電容元件
1.電容元件
電容元件是實際電路中建立電場、儲存電能特性的抽象與反映。電容元件在電路中只進行能量交換，不消耗能量，也屬于無源二端元件。
凡是兩塊導體中間夾著絕緣介質構成的整體就是電容器，不同的絕緣介質可構成不同的電容器。電子設備或儀器中有許多電容器，電力系統中也有許多電力電容器。實際電容器的理想化電路模型稱為電容元件，它的圖形符號如圖1-24所示。
圖1-24 線性電容元件的圖形符號
電容元件的參數用電容量C表示（簡稱電容），它反映了電容元件儲存電場能量的本領大小，其基本單位是法拉(F)，在實際應用中“法拉”的單位太大，常用微法（μF）、納法（n F）、皮法（p F）作為單位，它們之間的換算關系是
若電容器的電容量為常數，這樣的電容稱為線性電容。忽略損耗的電容器可視為線性電容。若電容器的電容量不為常數，這樣的電容稱為非線性電容。本書僅討論線性電容。
2.電容元件的伏安（u- i）關系
電容元件兩端的電壓與所在支路的充、放電電流的伏安關系為
電容元件的伏安關系說明，電容支路的電流與電容兩端電壓的變化率成正比。當電容元件兩端加直流電壓時，電容支路的電流為零，電容元件相當于開路（隔直流作用）；當電流i為有限值時，電壓的變化率也為有限值，即電容元件的電壓只能連續變化，不能躍變。電壓變化時必有電流產生，故電容元件又稱為動態元件。
3.電容元件的儲能
電容電壓反映了電容的儲能狀態，電容的儲能公式為：
電容的單位是法拉（F），電壓的單位是伏特（V），電場能的單位是焦耳（J）。
上式表明，電容元件總是從電路吸收電能，并把吸收的電能以電場能的形式儲存于電容器中。
4.電容元件吸收的功率
在電流、電壓參考方向一致的條件下，在任一時刻，電容元件吸收的功率為：
