這個計算器能做什麼
本工具用來計算 RC 並聯電路的複數阻抗:一個電阻 R 與一個電容 C 並聯,並由頻率為 f 的正弦波電源驅動。計算結果包含以歐姆為單位的阻抗大小 |Z|,以及以度為單位的相位角。這是放諸四海皆準的基礎物理,適用於任何地方。
使用方式
輸入電阻、電容與頻率的數值,並從下拉選單中為每一項選取對應的單位(例如 MΩ、µF、kHz)。「顯示精度」選擇器只會改變呈現的位數,並不會影響背後的運算。設定完成後按下計算,即可得到 |Z| 與相位角。
公式解析
處理並聯元件時,最方便的做法是把導納(admittance)相加。導納為 \(1/Z = 1/R + j\omega C\),其中 \(\omega = 2\pi f\) 為角頻率。取其大小可得 $$|Z| = \dfrac{1}{\sqrt{\left(\dfrac{1}{R}\right)^{2} + (\omega C)^{2}}}$$ 阻抗的相位為 \(\arctan(-\omega C R)\),它始終落在 0 到 −90 度之間,因為電容支路會讓電流相位超前電壓。
實例演算
假設 \(R = 10\ \Omega\)、\(C = 5\ \mu\text{F} = 5\times10^{-6}\ \text{F}\)、\(f = 1\ \text{kHz} = 1000\ \text{Hz}\):則 \(\omega = 2\pi\times1000 = 6283.19\ \text{rad/s}\),因此 \(\omega C = 0.0314159\ \text{S}\),\(1/R = 0.1\ \text{S}\)。接著 $$|Z| = \dfrac{1}{\sqrt{0.01 + 0.000986960}} = 9.5402\ \Omega$$ 相位為 \(\arctan(-0.0314159 \times 10) = \arctan(-0.314159) = -0.30445\ \text{rad} = -17.4406\) 度。
常見問題
為什麼相位是負的?電容會吸取相位超前的電流,因此這個並聯組合整體呈現電容性,阻抗的相位便落在 0 到 −90 度之間。
在直流(f = 0)時會怎樣?此時電容形同開路,阻抗就只剩下 R,相位為 0 度。
如果 R 非常大會如何?當 R 越來越大,電阻支路幾乎沒有電流通過,電路便趨近於純電容,相位也會逐漸接近 −90 度。