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第三章　交變電流
1
交變電流
學習目標
2
會分析交變電流的產(chǎn)生過程及其變化規(guī)律.
1
了解交變電流和直流的概念.
重點
重難點
3
明確正弦式交變電流的變化規(guī)律及其表達式，知道中性面、瞬時值、峰值等概念，知道中性面的特點.
4
了解交流發(fā)電機的構造及工作原理.
交變電流
在顯示屏上顯示的電壓（或電流）隨時間變化的圖像，在電工技術和電子技術中常常叫作波形圖。用示波器或電壓傳感器先觀察電池供給的電壓的波形，再觀察家用電源供給的電壓的波形。這兩種波形各有什么特點
1.交變電流：電流、電壓隨時間做周期性變化，這樣的電流叫作交變電流(AC)，簡稱交流.
在電力系統(tǒng)中，從發(fā)電到輸配電，用的都是交變電流。
在無線電電子設備中的各種電信號，大多數(shù)也是交變電流信號。
2.直流：方向不隨時間變化的電流稱為直流(DC).
交變電流經(jīng)過電子電路的處理，也能變成直流。如學生電源、手機充電器等。
電池供給的電流方向不隨時間變化，所以屬于直流。
下列屬于交變電流的是________；屬于直流的是________.交變電流與直流的本質(zhì)區(qū)別是_________________.
思考與討論
(1)(2)(6)
(3)(4)(5)
電流方向是否改變
交變電流的產(chǎn)生
通過視頻，觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況。實驗現(xiàn)象說明了什么？
兩個二極管交替發(fā)光。說明教學所用發(fā)電機產(chǎn)生了交流電。
1.交流發(fā)電機能產(chǎn)生交變電流.交流發(fā)電機最基本的結構是線圈和磁極，如2中圖所示兩磁極間產(chǎn)生的磁場可近似為勻強磁場，轉(zhuǎn)軸與磁場方向垂直.線圈繞中心軸勻速轉(zhuǎn)動，線圈的BC、DA邊始終在平行于磁感線的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，不產(chǎn)生感應電動勢，只起
導線作用.AB、DC邊切割磁感線時產(chǎn)生
感應電動勢，相當于電源.
觀察與思考
K
A
F
E
L
D
C
B
交流發(fā)電機的基本構造
線圈平面 磁感線，AB、CD邊的速度方向與磁感線 ，線圈 感應電動勢.
平行
不產(chǎn)生
垂直于
線圈逆時針轉(zhuǎn)過90°，線圈平面與磁感線 、AB、CD邊都垂直切割磁感線，這時感應電動勢 ，線圈中的感應電流也 ，感應電流方向為 .
平行
最大
最大
D→C→B→A
2.交變電流的產(chǎn)生過程分析
K
F
E
L
K
F
E
L
當線圈再轉(zhuǎn)過90°時，線圈平面又 于磁感線，線圈 感應電勢.
垂直
不產(chǎn)生
當線圈再轉(zhuǎn)過90°時，AB、CD邊的瞬時速度方向跟線圈經(jīng)過乙圖位置時的速度方向相反，產(chǎn)生的感應電動勢方向也跟在乙圖位置時相反，感應電流方向為 .
A→B→C→D
2.交變電流的產(chǎn)生過程分析
K
F
E
L
K
F
E
L
3.兩個特殊位置
(1)中性面位置(S⊥B，如圖中的甲、丙)
線圈平面與磁場垂直的位置，此時Φ最大， 為0，e為0，i為0(均選填“最大”“最小”或“0”)；
線圈經(jīng)過中性面時，電流方向發(fā)生改變，線圈轉(zhuǎn)一圈電流方向改變兩次.
K
F
E
L
K
F
E
L
K
F
E
L
K
F
E
L
(2)垂直中性面位置(S∥B，如圖中的乙、丁)
線圈平面與磁場平行的位置，此時Φ為0， 最大，e最大，i最大(均選填“最大”“最小”或“0”)；線圈經(jīng)過垂直中性面位置時，電流方向不發(fā)生改變.
K
F
E
L
K
F
E
L
K
F
E
L
K
F
E
L
為研究問題方便，常用到正視圖。請畫出甲、乙、丙、丁4個位置的正視圖。
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
A(B)
D(C)
甲
乙
K
F
E
L
丙
K
F
E
L
丁
1.(多選)下圖中，哪些線圈中產(chǎn)生了交變電流
√
√
√
由交變電流的產(chǎn)生條件可知，轉(zhuǎn)動軸必須垂直于磁感線，但對線圈的形狀及轉(zhuǎn)動軸的位置沒有特別要求，故選B、C、D.
2.在水平向右的勻強磁場中，一線框繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動，線框通過電刷、圓環(huán)、導線等與定值電阻組成閉合回路.t1、t2 時刻線框分別轉(zhuǎn)到如圖甲、乙所示的位置，圖甲中線框與磁感線平行，圖乙中線框與磁感線垂直，下列說法正確的是
A.t1時刻穿過線框的磁通量最大
B.t1時刻電阻中的電流最大，方向從右向左
C.t2時刻穿過線框的磁通量變化最快
D.t2時刻電阻中的電流最大，方向從右向左
√
t1時刻，穿過線框的磁通量為零，線框產(chǎn)生的感應電動勢最大，電阻中的電流最大，根據(jù)右手定則知通過電阻的電流方向從右向左，A錯誤，B正確；
t2時刻，穿過線框的磁通量最大，磁通量的變化率為零，線框產(chǎn)生的感應電動勢為零，電阻中的電流為零，C、D錯誤.
交變電流的變化規(guī)律
(3) ab邊轉(zhuǎn)動的線速度是多大？
(1)線圈轉(zhuǎn)過的角度是多少？
(2) ab邊的線速度方向與磁感線方向夾角是多大？
觀察與思考
1.感應電動勢表達式
若線圈從中性面開始以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，如圖所示，則經(jīng)過時間t，設ab的長度為Lab，ad的長度為Lad，線圈面積S＝ Lab·Lad ，磁感應強度為B，則：
(4) ab邊產(chǎn)生的感應電動勢多大？
=
觀察與思考
(5)整個線圈產(chǎn)生的感應電動勢多大？
=BSωsin ωt
(6)N匝線圈產(chǎn)生的感應電動勢多大？
1.感應電動勢表達式
若線圈從中性面開始以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，如圖所示，則經(jīng)過時間t，設ab的長度為Lab，ad的長度為Lad，線圈面積S＝ Lab·Lad ，磁感應強度為B，則：
結論：矩形線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的電動勢按正弦函數(shù)規(guī)律變化.
2.電壓、電流表達式
由于發(fā)電機的電動勢按正弦規(guī)律變化，所以當負載為電燈等純電阻用電器時，負載兩端的電壓u、流過的電流i，也按正弦規(guī)律變化，即u＝Umsin ωt，i＝Imsin ωt，式中Um和Im分別是電壓和電流的最大值，也叫峰值，而e、u、i 則是相應的物理量的瞬時值.這種按正弦規(guī)律變化的交變電流叫作正弦式交變電流，簡稱正弦式電流.
3.峰值表達式
電動勢最大值：Em＝NBSω.電流最大值：Im＝ .電壓最大值：
Um＝ImR＝_______.
說明　電動勢峰值Em＝NBSω由線圈匝數(shù)N、磁感應強度B、轉(zhuǎn)動角速度ω和線圈面積S決定，與線圈的形狀無關，與轉(zhuǎn)軸的位置無關.
如圖所示的幾種情況中，如果N、B、ω、S均相同，則感應電動勢的峰值均相同.
正弦式電流是最簡單、最基本的交變電流。電力系統(tǒng)中應用的大多是正弦式電流。
4.正弦式交變電流的圖像(中性面開始計時).
在電子技術中也常遇到其他形式的交流，如圖乙、丙所示。
前面已推導出從中性面開始計時的e、u、i 瞬時值的表達式，若以垂直于中性面為計時起點，則e、u、i 瞬時值的表達式如何？
思考與討論
以垂直于中性面為計時起點，則e＝Emcos ωt，u＝Umcos ωt ，i＝Imcos ωt
3.(多選)(2021·海淀區(qū)月考)一個矩形線圈繞垂直于勻強磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動，線圈中的感應電動勢e隨時間t變化的規(guī)律如圖所示，下列說法正確的是
A.從線圈平面與磁場方向平行的時刻開始計時
B.t1和t3時刻，穿過線圈的磁通量為零
C.t1和t3時刻，穿過線圈的磁通量變化率的絕對
值最大
D.每當電動勢e變換方向時，穿過線圈的磁通量的絕對值都為最大
√
√
t＝0時刻，線圈產(chǎn)生的感應電動勢最大，故此時線圈平面與磁場方向平行，故A正確；
t1和t3時刻感應電動勢為零，磁通量的變化率為零，線圈位于中性面位置，此時穿過線圈的磁通量最大，故B、C錯誤；
每當e變換方向時，線圈與磁場垂直，線圈位于中性面位置，穿過線圈的磁通量的絕對值都為最大，故D正確.
4.如圖所示，勻強磁場的磁感應強度B＝ T，邊長L＝10 cm的正方形線圈abcd共100匝，線圈總電阻r＝1 Ω，線圈繞垂直于磁感線的軸OO′勻速轉(zhuǎn)動，角速度ω＝2π rad/s，外電路電阻R＝4 Ω.求：
(1)轉(zhuǎn)動過程中線圈中感應電動勢的最大值.
設轉(zhuǎn)動過程中線圈中感應電動勢的最大值為Em，
(2)從圖示位置(線圈平面與磁感線平行)開始計時，感應電動勢的瞬時值表達式.
(3)由圖示位置轉(zhuǎn)過30°角時電路中電流的瞬時值.
(4)線圈從開始計時經(jīng) s時線圈中的感應電流的瞬時值.
(5)從圖示位置開始計時，外電路R兩端電壓瞬時值的表達式.
由閉合電路歐姆定律，得
交流發(fā)電機
線圈（叫電樞）
→產(chǎn)生感應電動勢
磁極
→產(chǎn)生磁場
2.發(fā)電機的構造
3.基本種類
旋轉(zhuǎn)電樞式
→電樞動，磁極不動
旋轉(zhuǎn)磁極式
→磁極動，電樞不動
說明　不論哪種發(fā)電機，轉(zhuǎn)動的部分都叫轉(zhuǎn)子，不動的部分都叫定子.
缺點：電壓高會火花放電、電樞無法做大
優(yōu)點：高電壓、高功率輸出
1.工作原理：交流發(fā)電機的工作原理基于法拉第電磁感應定律.
三峽電站一臺正在吊裝的發(fā)電機轉(zhuǎn)子
4.發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換
發(fā)電機轉(zhuǎn)子一般由蒸汽輪機、水輪機等帶動，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，
輸送給外電路.
ABCD—線圈（電樞）
K、L—圓環(huán) E 、F—電刷
5.關于交流發(fā)電機的下列敘述正確的是
A.交流發(fā)電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能
B.交流發(fā)電機由兩部分組成，即定子和轉(zhuǎn)子，線圈必須旋轉(zhuǎn)，成為轉(zhuǎn)子，
這樣才能在線圈中產(chǎn)生交流電
C.交流發(fā)電機線圈中產(chǎn)生交流電，輸送到外電路也是交流電
D.在交流發(fā)電機線圈轉(zhuǎn)動的過程中，線圈中的每一個邊都切割磁感線
√
交流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，故A錯誤.
交流發(fā)電機由兩部分組成，即定子和轉(zhuǎn)子，線圈既可以做定子，也可以做轉(zhuǎn)子，只要定子和轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)動就可以產(chǎn)生交流電，故B錯誤.
交流發(fā)電機線圈中產(chǎn)生交流電，輸送到外電路也是交流電，故C正確.
在交流發(fā)電機線圈轉(zhuǎn)動的過程中，并不是線圈的每一條邊都切割磁感線，故D錯誤.
交變電流
交變電流
交變電流的變化規(guī)律
交變電流
直流
交變電流的產(chǎn)生過程分析
感應電動勢的表達式
兩個特殊位置
峰值表達式
交變電流的產(chǎn)生過程
電壓、電流的表達式
正弦式交變電流的圖像
交流發(fā)電機

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