浅谈谐振电路和品质因数Q值的物理意义及教学思路

雷志坤

(广西机电职业技术学院,广西南宁 530007)

引言

谐振是电路在运行过程中出现的一种特殊物理现象,其重要性从无线电通信等技术中的应用中可见一斑。具有电感和电容元件的不含独立激励源二端电路网络,当网络的输入阻抗等效为纯电阻时,该电路发生了谐振现象,谐振时电感感抗大小等于电容容抗,网络端口的电压和电流同相位,在电感或电容上将获得比端口信号大得多的信号响应量。Q值的物理意义体现了一个电路发生谐振的强弱程度和电路对输入信号选频性的好坏。然而,在电路分析教学中,我们常常发现学生(尤其是高、中职学校的学生)对谐振其品质因数Q这些重要概念的物理含义理解不清或一知半解,究其原因主要是因为其概念较为抽象,教材中又多采用复杂而繁琐的数学公式推导,直观性不强,造成学生对这些概念的理解出现一定程度的困难,将影响到他们后续课程的学习效果。

如何才能便捷有效地理解电路中的谐振和品质因数等概念呢?笔者在多年的教学实践中总结出一些较为理想的教学方法,现归纳为以下几点供同行们探讨。

一、举例说明谐振概念及其品质因数Q值的物理意义

1、谐振的概念及典型应用举例

现以最常见的收音机输入回路(即调台电路)为例。如图1为简单的收音机信号输入等效电路,由天线和电阻R、电感L及电容C组成,其中,R、L、C构一个串联谐振回路。

2、电路品质因数Q的物理意义

二、对比分析串联谐振和并联谐振的特点

1、RLC串联谐振和RL-C并联谐振电路特点的区别

图3所示分别为典型的RLC串联回路和RL-C并联回路。下面我们通过对比讨论两种回路在谐振状态时各自的特点。

图3

再从能量角度来讨论,RL-C并联电路谐振时电路也不从外部吸收无功功率,能量也将以电场能和磁场能的形式在电感和电容之间进行互补交换,而电源和振荡电路之间不发生能量交换,只是补偿在振荡中线圈电阻部分损耗掉的能量。

2、RLC串联谐振和RL-C并联谐振Q值含义的区别

需要说明的是,无论是串联谐振还是并联谐振电路,他们的品质因数Q值只由电路本身结构决定而非外部信号决定。

三、结语

总之,各种电路谐振时均有自己独特的特征,必须加以区别来理解;Q值的物理意义说明了电路能产生谐振的强弱程度,同时还揭示了在电路中的无功功率对比于有功功率的强度;在应用上显示了一个选频电路对信号源的选择特性的好坏。

学习电路分析最重要就是让学生对重要或关键概念物理意义的有效理解,在此基础上才能更好地掌握对电路规律的分析和应用。要达到较理想的教学目的,需要教师能够很好地总结和归纳规律本质,并利用各种方法来引导和拓展教学,已达到良好的教学效果。实践证明,对于谐振回路及其品质因数这一节的教学,采取实例引导、对比分析等方法进行教学,能让学生快速、正确地进入理解境界。

[1]曹才开,郭瑞平.电路分析基础 [M].北京:清华大学出版社.2009:145-156.

[2]胡汉辉,秦培林.电路分析 [M].重庆:重庆大学出版社.2011:102-106

[3]管潇津.对谐振电路中品质因数Q值的讨论[J].河北:保定师范专科学校学报.2004,17(4):23-25.

[4]张世超,赵青云.谐振电路中品质因数的计算方法[J].西安航空技术高等专科学校学报,2011,29(1):58-60