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                高中物理網

                交流電|交變電流的產生

                王尚老師微信

                交流電

                《交流電》是高中物理選修3-2第二章的內容。交流電這一章具體包括三部分:《交變電流的產生》,《理想變壓器》與《電能的輸送》。在本文中,主要闡述的第一部分,即交變》電流的產生。

                交流電的定義

                交流電(alternating current)簡稱為AC,也稱“交變電流”,簡稱“交流”。

                顧名思義,交流電中電流方向是隨時間變化的,一般是作周期性變化的。

                交流電產生

                交流電的最基本的形式是正弦電№流(余弦電路),此外還有鋸齒狀電流等。

                發現了電磁感應後,產生交流電流的方法也隨之被法拉第發現,法拉第因此被譽為“交流電之父”。

                法拉第發現當閉合線圈在勻強磁場中繞垂直於磁場的軸勻速轉動時,線圈裏就產生大小和方向作周期ξ性改變的正弦交流電。

                中國通常使用的交流電,一般頻率是50Hz。我們常見的電燈、電動機等用的電♂都是交流電。

                本文主要探討的是交變電流的產生與描述交流電的物理量。

                交變電流的產生

                問題:為什麽要產生交流電?

                電能是目前應用最廣泛和最便利的能量。利用電磁感應的公式E=BLv,我們可以發電。

                可現在有一個問題要解決,就是要產生『穩定的E,必須有持續的運動速度v,如果 好是平動,那麽必須有持續的位移,即要有很長很長的平行導軌。

                這對成本要求太高了。可想而知,我們的〓發電站要建多大的規模。如何來解決這一問題呢?

                除了勻速直線運動外,我們還有一種特殊的運動,不需要位移,你想到了嗎?就是圓周運動

                通過下面的這張圖,以及公式E=Blv(註意∏等效切割速度),我們會發現一個很痛苦的問題:勻速圓周運動下產生的E並不穩定。

                交變電流

                不過,學完這章節內容中的理想變壓器和遠距離輸電後,你又會如此的感慨:這個痛苦的問←題,竟然是大自然的恩賜!交流電竟然在輸電上可以如此節省損耗。我們生活中的大部分電,都是以交流形式存在的。直流和交流之間的轉換,已經是非常成熟的技術了。

                交流電〓的產生及其瞬時值表達式推導

                交流電是電流周╲期性變化的電流。下面我們首先來解決最大電壓的問題。

                交流電電壓的最大值表達式是:U=NBSw;此公式,可通過電磁感應導體棒切割電動勢公式E=BLv來推導。具體步驟如下:

                交流電的產生

                如圖所示的時刻,對應的空位一臉輕笑是交流電電壓的最大值。圖中紅色標記的那根導線與藍色標記的那根導線在切割磁感線,產生的電動勢相等,都是:

                E=BL1v

                根ξ 據圓周運動中角速度與線速度的關系,v=ωL2/2,代入上述公式有:

                E=BL1ωL2/2

                由於總的電動勢,是紅卐色標記那根導線和藍色標記那根導線之和,因此總的交流電的電壓為:

                U=2E=BωL1L2

                因為線圈的面積為S=L1L2

                當有N砸線圈時,則產生的總電壓為:

                U=NBSω

                當※線圈經過了一段時間t後,旋轉角度為θ=ωt

                因此,交流電電壓的瞬時值(隨時間t變化的數值)為:

                U=NBSωcos(ωt)

                註:此為從垂直中性面開始計時,如果從中性面開始計時,則U=NBSωsin(ωt)

                交流電的三類典↘型題型

                (1)交變電流基本概念及其產生。比如中性卐面、峰值(NBsw)、有效值等。

                (2)交流電圖玄雨臉色一變像題,註意坐標自己不但不知道真正軸的單位。

                (3)與遠距離輸電和理想變壓器結合起來考察的題目。

                交變電流的基本概念概述

                大小和方向都Ψ 隨時間作周期性變化,且在一周▅期內的平均值等於零的電流叫做 心中一驚交變電流(alternating current),簡稱交流(AC)。

                (1)交變電流是一定要有恒定的周期(T=2π/ω T=1/f)

                (2)改變方向改變大小的電流只要做周期性變化,且在一周▅期內的平均值等於0,就是交變電流;

                (3)改變大小而不改變方向的電流一定不是交⊙變電流;

                (4)在一個周期內電壓U、電流I發生一次周期性變化;

                (5)產生方法:閉合線圈在勻強磁場中繞與磁場垂直的軸勻速轉動;

                描述交變電流的物理量∞∞

                (1)峰值

                交變電流的峰值是交流電流在一個周期內所能達到的最大值而且實力不弱。

                矩形線圈在勻強磁場中繞垂直於磁場的轉軸轉到與磁感線平行時,感應電動勢有ζ 最大值Em=nBSω。

                交變電流的最大值可以用來表示電流強弱和電壓高低大小。

                (2)有效值

                在交流電變化的一個周期【內,交流電流在電阻R上產生的熱量相當 一旁於多大數值的直流電流在該①電阻上所產生的熱量,此直流電流的數值就是該交流電流的有效值。

                例如在同一個○電阻上,分別通以交〖流電i(t)和直流電I,通電時不會是把我們帶到這里來送死間相同,如果要知道冷光可是仙帝級別它們產生的總熱量相等,則說這兩個電流是等效的。

                交流電的有效值 轟通常用U或(I)來表示。U表示︽等效電壓,I表示等效電流。

                設一電阻R,通以交流電i,在很短的一段時間dt內,流經電阻R的交流電可認為是恒定的,因此在這很短的時間內在R上產生的熱量dW=i^2*R*dt

                在一個周期內交流電在電阻上產生的總熱量,而直流電I在同¤一時間T內在該電阻上產生的熱量,根據有效值的定義有:

                所以有效值W=i^2Rt=A^2Rsin^2(ωt+φ)

                可見正弦交流電(余弦交流▆電)的有效值等於峰值的0.707倍。

                通常,交流電☆表都是按有效值來刻度的。一般不作特別說明時,交流電的大小均是指有效值。

                例如市電220伏特,就是指其有效值屠神劍擋去為220伏特,交變電流的有效值是根據電流的熱效應來規定。

                讓交流和直流通過相同阻值①的電阻,如果他們在相同的時間內產生的熱量相同,就把這一直流的數值雖然不過數百件叫做這一交流的有效值。各種使用交變電流的用電器上所標的額定電壓,額定電流值都是№指交變電流的有效值。

                各種交流電流表和交流電壓表的測量值也都是有效值。計算保險絲的熔斷♂電流也用有效值。

                (3)中性面

                發電機電樞單個線圈轉至某一位置時其感應電動勢為0,感應電流也為0,此時線圈面與磁感線方向垂直,這個面就※稱為中性面。

                處於中性面時,通過會不會成為我們線圈的磁通量(大小)是最多的。

                線圈位於中性面時,磁通量最大,感應電實力也有機會動勢和電流最小,且為0;位於↑與中性面垂直位置時,磁通量最小,且為0,感應】電動勢和電流最大。

                (4)周期T

                交變電流完成一次周期性變化所需的時間,單位是秒(s)。周期越長,交變電流變化越慢,在一個周期內,交變電流的大小和方向都隨時間變化。

                (5)頻率f

                交々變電流在1s內完成周期性變化的次數稱之為交流電的頻老家伙率,單位是赫茲(Hz)。頻率越大,交變電流變化越快。

                交流電的圖像

                 交流電圖像

                上文已經◤提到,從中性面開始計時,產生的交流電■圖像U=NBSωsin(ωt),為正弦函數。

                其圖像如圖所示,當NBSω=100√2v時,其有效值為100v;

                交流電圖像

                同樣,電流值等於電壓值與電阻之比,也滿足如上圖所□示的正弦圖像關系。

                交流電的有效值

                在一個周期內,交流電在電阻R上產生的熱量相當於多大數值的直流電流在該電阻上所產生的熱量,此直流電流的數值就是該交流電流的有效值。

                例如在同一個電阻上,分別通□ 以交流電i(t)和直流電I,通電時間相同,如果它們產生的總熱量相等,則說這兩個電流是等效的。

                交流電的有效值通常用U或(I)來表示。U表◣示電壓等效值,I表示電流等效值。

                在正弦交流電與余弦交流▆電中,電壓(電流)的有效值,為其最大值的根號2分之1;

                直流電和交流電的區別

                交流電中電流方向是隨時間周期↓性變化的。交流電的最基本的形式是正弦電流,此外還有鋸齒狀電流等。

                直流電的特點是▲,電流的方向與大小都不變化。在初中物理教學中,我們接觸到的大部分電流,都是直流電。

                交流電好還是直『流電好

                交流電好還是直流電好,並沒有標準的答案,兩者各有利弊。

                交流電通過變壓器可以很方便的變換電壓的高平風陽臉上掛著不屑低,而直流電⌒ 還很難直接做到。

                直流電的一個電極,是恒定的,要麽是▓正極,要麽是負極。

                交流電的一個電極是在正電極與負電極之間變化的,它每秒變換的次數叫做頻率。

                我們用的市電就是交流電,其額▼定電壓是220V,頻率是50Hz。
                所有的電池供電都是直流電。

                從傳輸角度來看顯然不是在修煉,交流電好。從儲存來看,直流電好。真正除非你能一劍把我這上萬冤魂全部斬殺使用上,我們主要還是用直流電ㄨ多。

                表面上電視機,電腦,所有㊣充電器,節能燈等都是直接使用交流電,但內部都有整流電路,整成直流電才使用。

                原創作者:王尚,崔強;審核:蘇陽。

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