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文檔簡介
第2章正弦交流電路2.1
正弦交流電的基本概念
2.2
正弦量的相量表示法2.3單一參數(shù)的交流電路2.4
串聯(lián)交流電路
2.5
并聯(lián)交流電路2.6復(fù)雜正弦電路的分析與計(jì)算2.7
電路中的諧振
本章要求1.理解正弦量的特征及其各種表示方法和互相轉(zhuǎn)換。2.理解電路基本定律的相量形式及阻抗;熟練掌握計(jì)算正弦交流電路的相量分析法。3.掌握有功功率和功率因數(shù)的計(jì)算,了解瞬時(shí)功率、無功功率和視在功率的概念。4.了解正弦交流電路串、并聯(lián)諧振的條件及特征;5.了解提高功率因數(shù)的意義和方法。
其中,大小和方向均隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的電壓或電流稱為正弦交流電。正弦交流電路,是指電路中含有隨時(shí)間按正弦函數(shù)規(guī)律變動(dòng)的電源(激勵(lì)),而且電路各部分所產(chǎn)生的電壓和電流(響應(yīng))均按正弦規(guī)律變化的電路。正弦交流電路有單相交流電路和三相交流電路之分。
大小和方向均隨時(shí)間變化的電壓或電流稱為交流電。等腰三角波矩形脈沖波正弦波
在近代電工技術(shù)中正弦交流電應(yīng)用極為廣泛:交流發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)和工藝上比直流電機(jī)簡單,且易于以整流方式獲得直流;交流電動(dòng)機(jī)的性能也優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī);交流電傳輸時(shí)可很方便地應(yīng)用變壓器進(jìn)行高壓輸送、低壓供電;
柴油發(fā)電機(jī)組,用于備用電源、應(yīng)急電源、獨(dú)立電源系統(tǒng)。風(fēng)電廠
龍羊峽水電站,總裝機(jī)128萬千瓦,1987年9月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。
二灘水電站,總裝機(jī)330萬千瓦,1998年8月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。圖同步發(fā)電機(jī)的外形圖2.1
正弦交流電的基本概念
正弦電壓和電流等隨時(shí)間按正弦規(guī)律變動(dòng)的物理量稱為正弦量。正弦量有正弦電流、正弦電壓、正弦電動(dòng)勢(shì)等。頻率、幅值和初相位三個(gè)值被稱為確定一個(gè)正弦量的三要素。正弦量的三要素1.
正弦量的最大值或幅值2.ω(rad/s):正弦量的角頻率
ω3.
0:初相位,(ωt+0)反映正弦量在變化過程中瞬時(shí)值的大小和正負(fù),稱為正弦量的相位。一、頻率(周期)正弦量變化一次所需時(shí)間稱為周期
T。單位為s(秒)。每秒變化的次數(shù)稱為頻率
f,單位為Hz(赫茲)。ImtT0i頻率與周期互為倒數(shù),即我國電力系統(tǒng)所用的頻率是50Hz,稱為工頻,它的周期是0.02s。
正弦量變化的快慢除用周期和頻率表示外,還可用角頻率來表示,單位是rad/s(孤度/秒)。小常識(shí)*電網(wǎng)頻率:
中國
50Hz美國
、日本
60Hz*中頻爐頻率:500~8000Hz
*有線通訊頻率:300-5000Hz*無線通訊頻率:
30kHz-3×104MHz*高頻爐頻率:200~300kHz二、幅值(有效值)正弦量在任一瞬時(shí)的值稱為瞬時(shí)值,用小寫字母表示。
正弦電流的瞬時(shí)值的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式為是瞬時(shí)值中的最大值,稱為幅值。
因?yàn)橥谛宰兞慷茧S時(shí)間不斷變化,無法測(cè)量。因此在工程實(shí)際中,常采用一個(gè)稱為有效值的量來衡量周期變量作用電路時(shí)產(chǎn)生的平均效果。交流設(shè)備名牌標(biāo)注的電壓、電流均為有效值。
如果一個(gè)周期電流和一個(gè)直流電流通過阻值相同的電阻,在相同的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量相等,就把這個(gè)直流電流的數(shù)值規(guī)定為此周期電流的有效值。幅值必須大寫,下標(biāo)加m。當(dāng)周期電流為正弦量時(shí),將瞬時(shí)值表達(dá)式代入有同理有這樣正弦量又可表示為即有效值必須大寫
三、初相位稱為正弦量的相位角或相位。稱為正弦量的初相位角或初相位。ωtOiωtiOωtiO
在一個(gè)正弦交流電路中,電路中各部分的電壓或電流(響應(yīng))的頻率均與電源(激勵(lì))頻率保持一致,稱為同頻率的正弦量。(a)(b)>0(c)<0
兩個(gè)同頻率正弦量的相位角之差或初相位之差,稱為相位差,用
表示。電路中定義。
如果
>
0,我們稱電壓
u
超前電流i;反過來也可以說電流
i
滯后于電壓
u
;如果
=
0,稱電壓和電流同相位或同相,如果
,稱兩個(gè)正弦量反相。四、相位差iu.iωt
φ>0φ
φ<0φ
φ=π
φ=02.2正弦量的相量表示法
在時(shí)間領(lǐng)域中進(jìn)行正弦量的計(jì)算、求解含有正弦量的電路方程組和微分方程等是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的,為了擺脫正弦函數(shù)運(yùn)算的繁索及相關(guān)計(jì)算的困難,利用數(shù)學(xué)中有關(guān)變換的概念,以復(fù)數(shù)為變換工具,用復(fù)平面上的復(fù)數(shù)相量表示的正弦時(shí)間函數(shù),從而將在時(shí)間域中求解正弦交流電路的微分方程問題轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)域中求解相量的代數(shù)方程問題,可以簡化正弦交流電路的分析與運(yùn)算。
相量:與正弦量具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的復(fù)數(shù)。如:正弦量的最大值對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)A的模值;ωu
顯然,復(fù)數(shù)A就是正弦電壓u的相量。二者具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。正弦座標(biāo)復(fù)數(shù)座標(biāo)
正弦量的初相與復(fù)數(shù)A的幅角相對(duì)應(yīng);正弦量的角頻率對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)A繞軸旋轉(zhuǎn)的角速度ω;一、用復(fù)數(shù)表示正弦量
以橫軸為實(shí)軸,用+1為單位,縱軸為虛軸,用+j為單位,構(gòu)成復(fù)平面。復(fù)數(shù)A
實(shí)部為a,虛部為b,則一個(gè)復(fù)數(shù)可寫成+1jAbθa01.直角坐標(biāo)式復(fù)數(shù)的模2.三角函數(shù)式利用歐拉公式4.極坐標(biāo)式
將復(fù)數(shù)與正弦量相比可知,復(fù)數(shù)可以表示正弦量,復(fù)數(shù)的模代表正弦函數(shù)的幅值,幅角代表正弦量的初相位,而正弦量的頻率與電源頻率始終保持一致,可不用考慮。為了與普通復(fù)數(shù)加以區(qū)別,把表示正弦量的復(fù)數(shù)稱為相量,并在相應(yīng)的表示電路變量的大寫字母上打“·
”。如:可表示為注意:相量只是表示正弦量的復(fù)數(shù),而不是等于正弦量,因?yàn)檎伊渴菚r(shí)間域中隨時(shí)間變化的實(shí)數(shù)。有3.指數(shù)式有效值相量復(fù)數(shù)的四則運(yùn)算:設(shè)兩個(gè)復(fù)數(shù):則:例:正弦電流為(1);(2);試寫出它們的相量。解:(1)(2)
例:
圖示電路中,設(shè) , ,試求總電流。解:將化成相量形式有則總電流的相量形式為返回到時(shí)間領(lǐng)域,對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)值功
為相量形式的基爾霍夫電流定律為把正弦量表示成相應(yīng)的相量后,電路的基本定律仍然成立。角頻率不變二、相量圖
相量圖,指按照各相量的幅值大小和初相位關(guān)系在復(fù)平面上畫出的若干個(gè)相量的圖形。在相量圖上能形象地看出各個(gè)正弦量的大小和相互之間的相位關(guān)系。
相量圖
只有相同頻率的正弦量的相量才可畫在同一張相量圖上,不同頻率的正弦量放在一起比較是沒有意義的。注意可不畫坐標(biāo)軸
例:用相量圖來表示下列正弦量解:120°120°·1U·3U·2U2VtUuom)120sin(3+=ωVtUuom)120sin(2-=ωVUumωsin1=120°t
注意只有正弦量才能用相量表示;幾個(gè)同頻率正弦量可以畫在同一相量圖上;
任意兩個(gè)同頻率正弦量的和或差可用平行四邊形法則求。
例:寫出下列正弦量的相量,并求出:i=i1+i2,畫出相量圖。解:?1=20∠60°A?2=10∠-30°A?=?1+?2=20∠60°+10∠-30°=20(cos60°
+jsin60°)+10[cos(-30°)+jsin(-30°)=22.36∠33.4o(A)=18.66+j12.39=10+j17.39+8.66-j5相量圖為:·2I
三、旋轉(zhuǎn)因子
旋轉(zhuǎn)因子在相量圖中的意義設(shè)從圖中可見,>0,超前于。
在相量圖中可以看到,乘以后,相當(dāng)于向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角,故稱為旋轉(zhuǎn)因子。特別,當(dāng),
因此將稱為旋轉(zhuǎn)因子。一個(gè)復(fù)數(shù)乘以,等于該復(fù)數(shù)在復(fù)平面上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),一個(gè)復(fù)數(shù)乘以,等等于該復(fù)數(shù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。+1O+jψ1e±j90
=
1±90
=±j由于:-jI=Ie
j90=Iejψ·
ej90=Iej(ψ
90)jI1I
jI1則jI=Iej90=Iejψ
·
ej90=Iej(ψ+
90)?正誤判斷1.已知:?有效值?3.已知:復(fù)數(shù)瞬時(shí)值j45??最大值??負(fù)號(hào)2.已知:4.已知:2.3單一參數(shù)的交流電路
在時(shí)間領(lǐng)域中,電阻、電感、電容元件都有著確定的伏安特性關(guān)系,都可用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。同樣,這些元件的伏安特性關(guān)系在復(fù)數(shù)領(lǐng)域中也可用相量表示,各種求解電路的方法和電路定律也可用相量表示。uiR
設(shè)則一、
電阻電路根據(jù)歐姆定律
1.頻率相同2.相位相同3.有效值關(guān)系:電阻電路中電流、電壓的關(guān)系4.相量關(guān)系:設(shè)
則或5、功率關(guān)系
(1)瞬時(shí)功率結(jié)論:p
>0
(耗能元件),吸收(消耗)功率。iupu,i,pωtφu=φi(2)平均功率(瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值)例已知某電阻,接于初相角為的220V工頻正弦交流電源上,試分別以時(shí)域形式和相量形式求通過電阻R的電流。解:由已知條件可知電阻的電壓為(1)用時(shí)域形式解。(2)用相量形式解。已知電壓相量根據(jù)歐姆定律的相量形式得
最后寫出電流的三角函數(shù)式二、電感電路
基本關(guān)系式:iuL設(shè)則電感電路中電流、電壓的關(guān)系1.、頻率相同2、相位相差90°
(u
領(lǐng)先i90
°)iu設(shè):)90sin(2)90sin(2°°+=+=tUtLIu3、有效值
感抗(Ω)定義:則:4、相量關(guān)系設(shè):則:)(909090LjjXIeLIULIUIU==D=D=·····ooo電感電路中復(fù)數(shù)形式的歐姆定律iuL釋放能量儲(chǔ)存能量P<0+P>0P<0uiuiuiui+PP>0uip>0
時(shí)表明電感元件吸收能量;p<0
時(shí)表明電感元件發(fā)出能量。5、功率瞬時(shí)功率
理想電感元件(即內(nèi)阻為零)從電源吸收的能量一定等于它歸還給電源的能量,也就是說電感不消耗電能。即平均功率為
電感的平均功率雖為零,但電感與電源有能量交換。為了表明電感元件與電源之間進(jìn)行能量交換的大小,通常以電感元件瞬時(shí)功率的幅值來衡量,稱為無功功率,用Q
表示。無功功率的單位是乏()或千乏()。結(jié)論:純電感不消耗能量,只和電源進(jìn)行能量交換(能量的吞吐)。[例]
某線圈的電感,接于的電源上,試求當(dāng)電壓頻率為時(shí)通過線圈的電流值,并寫出電流的正弦函數(shù)瞬時(shí)表達(dá)式。解:根據(jù)已知條件,當(dāng)電壓頻率時(shí),電流值:正弦函數(shù)瞬時(shí)表達(dá)式:設(shè):三、電容電路uiC基本關(guān)系式:則:1.頻率相同2.相位相差90°(u落后i90°
)電容電路中電流、電壓的關(guān)系iu3.有效值或
容抗(Ω)定義:則:4.相量關(guān)系設(shè):則:電容電路中復(fù)數(shù)形式的歐姆定律領(lǐng)先!
5、功率
瞬時(shí)功率充電p放電放電P<0釋放能量充電P>0儲(chǔ)存能量uiuiuiuiiuωt
>0
時(shí)表明電容元件吸收能量;
<0
時(shí)表明電容元件發(fā)出能量。電容元件的無功功率為:單位是乏()或千乏()。
這表明,電感的無功功率是正的,電容的無功功率是負(fù)的,從功率的發(fā)出或吸收的定義出發(fā),可以說電感是吸收無功功率的,而電容是發(fā)出無功功率的。
理想電容元件(即內(nèi)阻為零)從電源吸收的能量一定等于它歸還給電源的能量,也就是說電容不消耗電能。即平均功率為:[例]
一電容器,接入220V初相為的正弦交流電源上。(1)試計(jì)算當(dāng)電源頻率為時(shí)的容抗及電流值;(2)畫出電壓、電流的相量圖;(3)寫出電流的正弦函數(shù)瞬時(shí)表達(dá)式。解:(1)根據(jù)已知條件,電壓相量為容抗為(2)根據(jù)電容元件約束的相量形式得電流值電壓電流的相量圖如圖所示(3)電流的正弦函數(shù)瞬時(shí)表達(dá)式為單一參數(shù)正弦交流電路的分析計(jì)算小結(jié)電路參數(shù)電路圖(正方向)復(fù)數(shù)阻抗電壓、電流關(guān)系瞬時(shí)值有效值相量圖相量式功率有功功率無功功率Riu設(shè)則u、i同相0LC設(shè)則則u超前
i90°00基本關(guān)系+-iu+-iu+-設(shè)
u滯后
i90°返回下一頁上一頁2.4RLC串聯(lián)交流電路RLC串聯(lián)交流電路是典型的交流電路,通過對(duì)RLC電路的分析,我們可以了解正弦交流電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算、相量圖的畫法,并可與直流電路相關(guān)計(jì)算做對(duì)比,了解交流電路與直流電路的區(qū)別。根據(jù)KVL有用相量法表示有將代入上式有總電壓與總電流的相量關(guān)系式令稱為RLC串聯(lián)電路的復(fù)阻抗。則復(fù)阻抗除了上面的直角坐標(biāo)表示外,還有指數(shù)式和極坐標(biāo)式表示,即:稱為復(fù)阻抗的模,單位為Ω,稱為復(fù)阻抗的阻抗角。
可見R、XL-Xc、三者之間的關(guān)系構(gòu)成直角三角形,這個(gè)三角形稱之為阻抗三角形。復(fù)數(shù)形式的歐姆定律當(dāng)>時(shí),>0,稱之為感性電路當(dāng)<時(shí),<0,稱之為容性電路當(dāng)=時(shí),=0,稱之為阻性電路R-L-C串聯(lián)交流電路--相量圖先畫出參考相量相量表達(dá)式:RLC電壓三角形I
ULUCUCUUX=UL+UCUR相量圖:0<<90°電路呈感性
同樣,電阻電壓、電感和電容電壓之和、端口總電壓三者之間的關(guān)系也構(gòu)成直角三角形,這個(gè)三角形稱之為電壓三角形。對(duì)同一電路而言,阻抗三角形和電壓三角形是相似三角形。
=0I
URULUCUUCULUCUUX=UL+UCIULUR90<<90電路呈阻性電路呈容性例
:
已知RLC串聯(lián)電路,,,,端電壓。試求電路中的電流和各元件上的電壓瞬時(shí)表達(dá)式。解:用相量法,先求電路復(fù)阻抗感抗容抗所以電流相量它們的瞬時(shí)值表達(dá)式分別是各元件上的電壓相量分別為:設(shè)RLC串聯(lián)交流電路的電壓和電流分別表示為:則電路的瞬時(shí)功率為瞬時(shí)功率包括恒定分量和正弦分量二部分。電路消耗的平均功率(有功功率)為
可見,RLC串聯(lián)交流電路的有功功率除與端口電壓和電流的有效值有關(guān)外,還與有關(guān),稱為電路的功率因數(shù),用來衡量對(duì)電源的利用程度。u與i
的夾角
電壓有效值和電流有效值的乘積定義為視在功率,用字母S
表示:
S的單位為伏安(VA)或千伏安(KVA)。
有功功率、無功功率、視在功率三者之間的關(guān)系也可用直角三角形表示,這個(gè)三角形稱之為功率三角形。
同樣,對(duì)同一電路而言,阻抗三角形、電壓三角形、功率三角形是相似三角形。視在功率
P、Q、S
都不是正弦量,不能用相量表示。UURUX電壓三角形ZRj(XL-XC)阻抗三角形功率三角形SPj(QL-QC)
電壓三角形是相量圖。它不僅定性反映各電壓間的數(shù)量關(guān)系,還可反映各電壓間的相位關(guān)系。
阻抗三角形不是相量圖!它的各條邊僅僅反映了各個(gè)復(fù)阻抗之間的數(shù)量關(guān)系。
功率三角形也不是相量圖!其各邊也是僅僅表明了各種功率之間的數(shù)量關(guān)系。SQP將電壓三角形的有效值同除I得到阻抗三角形將電壓三角形的有效值同乘I得到功率三角形R對(duì)同一電路而言,阻抗三角形、電壓三角形、功率三角形是相似三角形。例
:
有一RLC串聯(lián)電路,已知,,,電源電壓。試計(jì)算電路電流、有功功率和無功功率。解:電路阻抗為電路中電流的有效值電路阻抗角有功功率無功功率2.5復(fù)阻抗的串聯(lián)和并聯(lián)
在正弦交流電路中,復(fù)阻抗的連接與直流電阻電路中電阻的連接方式一樣,是多種多樣的。同樣其中最簡單和最常用的是串聯(lián)電路和并聯(lián)電路。一、復(fù)阻抗的串聯(lián)根據(jù)KVL有式中Z稱之為串聯(lián)電路的等效復(fù)阻抗。串聯(lián)電路中的每個(gè)復(fù)阻抗具有分壓作用:解:++--+-有兩個(gè)阻抗它們串聯(lián)接在的電源上;求:和,并作相量圖。例同理:或利用分壓公式:相量圖二、復(fù)阻抗的并聯(lián)根據(jù)KCL有
稱之為并聯(lián)電路的等效復(fù)阻抗或并聯(lián)電路中的每個(gè)復(fù)阻抗具有分流作用:解:+-有兩個(gè)阻抗它們并聯(lián)接在的電源上;求:和并作相量圖。例相量圖或2.6RLC并聯(lián)交流電路一、復(fù)導(dǎo)納
復(fù)阻抗的倒數(shù)叫做復(fù)導(dǎo)納,用Y表示,即
Y
的單位為西門子,簡稱西(S)。
圖所示是多支路并聯(lián)電路,根據(jù)相量形式的基爾霍夫電流定律,總電流:
多支路并聯(lián)電路等效復(fù)導(dǎo)納例:
如圖中,已知
。求端電壓u。解:
二、電路功率因數(shù)的提高在正弦交流電路中,電路消耗的平均功率為:
在正弦交流電路中,一般情況下,電壓和電流都存在相位差,因而功率因數(shù)不等于1,因此會(huì)在正弦交流電路的應(yīng)用中存在下列問題。首先,交流電源在額定容量下向負(fù)載輸送多少平均功率,與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān),即
例如,容量為KVA的發(fā)電機(jī),當(dāng)
可提供有功功率可提供有功功率因此為了充分提高發(fā)電設(shè)備的利用率,應(yīng)設(shè)法提高負(fù)載的功率因數(shù)。
在有功功率和電壓U
一定時(shí),越小,線路電流越大,線路上的功率損耗越大。這樣既不利于電能的節(jié)約,又影響供電質(zhì)量。在工農(nóng)業(yè)和日常生活大量使用的各種電器都是感性的,因此功率因數(shù)不會(huì)太高。而我國電力系統(tǒng)供電規(guī)定:高壓供電的企業(yè),功率因數(shù)不得小于0.95,其它企業(yè)不得低于0.9
。另外,電力輸電線的電流提高功率因數(shù)的方法有二種:一是在感性負(fù)載的二端并聯(lián)電容的方法;另一種是在電路中運(yùn)行同步電機(jī)的方法。并聯(lián)電容前,電路的功率因數(shù)為:此時(shí)電路中的電流為:
并聯(lián)電容后,電感支路的電流和有功功率都沒有改變,但電路中總的電流改變了,功率因數(shù)為。此時(shí)電路中的電流為
并聯(lián)電容前后,電路中總的電流差值就是電容中的電流,并聯(lián)電容后電路總的電流減小,電路電壓和電流之間的相位差變小,因而功率因數(shù)提高。電容的伏安特性關(guān)系:所以:(四)并聯(lián)電容值的計(jì)算又由相量圖可得由電路圖可知+-LR返回下一頁上一頁例:現(xiàn)有40W日光燈一個(gè),使用時(shí)燈管與鎮(zhèn)流器串聯(lián)接在電壓為220V,頻率為50Hz的交流電源上,燈管視為電阻R,鎮(zhèn)流器視為電感L,燈管二端電壓為110V,試求:1.鎮(zhèn)流器的電感為多大?2.此時(shí)電路的功率因數(shù)是多少?3.若將功率因數(shù)提高到0.9,則應(yīng)并聯(lián)多大的電容?解:1.電路中電流的有效值為電感二端電壓的有效值為根據(jù)感抗與電感電壓和電流有效值之間的關(guān)系有2.根據(jù)有3.例有一電感性負(fù)載,如圖所示,其功率P=10kW,功率因數(shù)為0.6,接在電壓U=220V的電源上,電源頻率為50Hz.
(1)如要將功率因數(shù)提高到0.95,試求與負(fù)載并聯(lián)的電容器的電容值和電容器并聯(lián)前后的線路電流。(2)如要將功率因數(shù)從0.95再提高到1,試問并聯(lián)電容器的電容值還需增加多少。解:(1)由相量圖可得
并聯(lián)電容前線路的電流為:并聯(lián)電容后線路的電流為:
由此可見,功率因數(shù)已經(jīng)接近于1時(shí)再繼續(xù)提高,則所需的電容值是很大的,因此一般不必提高到1。
(2)如要將功率因數(shù)由0.95再提高到1,則要增加的電容值為:例
:某發(fā)電廠以22萬伏的高壓向某地輸送24
萬千瓦電力,若輸電線路的總電阻r=10Ω,試計(jì)算當(dāng)電路的功率因數(shù)由0.6提高到0.9時(shí),輸電線上一年少損耗多少電能?解:當(dāng)cosφ1=0.6時(shí),線路中的電流
I1=P/Ucosφ1=1818.2A
當(dāng)cosφ=0.9時(shí),線路中的電流
I=P/Ucosφ=1212A
一年輸電線上少損耗的電能為:
W=(I12-I2)rt=1.609×1011W·h=1.609×108kW·h
對(duì)于任何含有電感和電容的電路,在一定頻率下可以呈現(xiàn)電阻性,即整個(gè)電路的總電壓與總電流同相位,這種現(xiàn)象稱為正弦交流電路的諧振。根據(jù)RLC
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