最后更新: 2025-01-18 17:17 查看: 220 次反馈能力测评会员8.2元/月赞助

交流电

当今人类生存的环境是一个“电的世界”，我们的生活离不开电。从普通照明灯到节日彩灯，从电视机到洗衣机，从工厂机床到电气化高铁，从家用计算机到中国“天河三号 E 级”超级计算机系统，从电子收款机到自动化生产线都要用电。现代化的生产和生活都与电密切相关，没有电几乎寸步难行！而这些设备大多数是由交变电流供电，大型交流发电机产生的交变电流通过输电线向城市和农村源源不断输送强大的电能。

## 交流电
大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流（alternating current），简称为**交流电**。交变电流具有许多特点，在工农业生产和日常生活中有着广泛的应用。例如，交变电流能够通过变压器改变电压，使高效节能的远距离输电成为可能；交变电流能够形成旋转磁场，为交流电动机提供动力；在发电量相同的条件下，交流发电设备比直流发电设备更简单。
 
方向不随时间变化的电流称为直流 ( direct current, DC)。电池供给的电流方向不随时间变化,所以属于**直流**。 **交变电流经过电子电路的处理，也能变成直流**，学校 实验室的学生电源就有这种功能。日常使用的各种充电器 能把交变电流变成低压直流

## 交变电流的产生

法拉第发现电磁感应现象的一个重大应用就是研制出发电机。交变电流来自交流发电机，下图是一个简易的交流发电机模型图。
![图片](/uploads/2025-01/0671b2.jpg){width=400px}

在交流发电机模型中，在两个磁铁之间放置一个线圈，转动线圈，这时发现线圈中产生感应电流。如果将灵敏电流计串联在含有小灯泡的电路中，可以发现电流表的指针左、右摆动。说明发电机产生的是大小和方向都在不断变化的电流，这就是交变电流。

上图发电原理，从横截面观察类似如下：
线圈在磁场中转动且切割磁感线而产生感应电动势。当转到线圈平面与磁场方向垂直位置 MN 时，由于线圈不切割磁感线，故此位置线圈的感应电动势为零。我们将该位置叫做**中性面**。
  ![图片](/uploads/2025-01/96287e.svg){width=300px}
 
 
如果我们匀速转动简易交流发电机手柄，也能够得到正弦交变电流，简称正弦交流电。如下图 为正弦交流发电机的原理示意图。

![图片](/uploads/2025-01/04488c.svg){width=600px}

从图中可以看出：线圈中的感应电动势随线圈平面跟中性面之间的夹角做周期性变化。在线圈转动一周的过程中，出现两次最大值（一次正值，一次负值，表示电动势方向相反）；线圈平面每经过中性面一次，电动势的方向就改变一次。

正弦交流电随时间变化的规律可以用如图 7－18 所示的图像表示。以线圈平面处于中性面时开始计时，交流电的电动势 $e$ 按正弦规律相应变化。
 ![图片](/uploads/2025-01/81d5f0.svg){width=400px}

正弦交流电任意时刻 $t$ 的电动势可以表示为

$$
e=E_{m} \sin \omega t
$$

其中 $E_{ m }$ 称为正弦交流电电动势的最大值，$\omega$ 称为交流电的角频率，也就是线圈旋转的角速度，$\omega t=\theta$ 是产生正弦交流电的线圈从中性面转过的角度。线圈匀速转动一周，$\omega t$ 从 0 增加到 $2 \pi$ 。

当负载为纯电阻用电器时，负载两端的电压 $u$ 和通过负载的电流 $i$ ，也按正弦规律变化，即

$$
\begin{aligned}
u & =U_{m} \sin \omega t \\
i & =I_{m} \sin \omega t

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