交流电

交流电 §5.1 基本知识 5.1.1､交流电的产生及变化规律 如图5-1-1所示,矩形线圈abcd在匀强磁场中匀速转动,闭合电路中产生交流电｡ 如果从线圈转过中性面的时刻开始计时,那么线圈平面与磁感应强度方向的夹角为 ,如图5-1-2所示: 线圈中产生的瞬时感应电动势按正弦规律变化, ,式 ,称为感应电动势的最大值｡ 电路中的电流强度也按正弦规律变化, ,式中 ,称为交流电流的最大值｡ 外电路的电压按正弦规律变化, ,式中 ,称为交流电压的最大值｡ 5.1.2 征交流电的物理量 (1)周期和频率 周期和频率是表征交流电变化快慢的物理量｡一对磁极交流发电机中的线圈在匀强场中匀速转动一周,电流按正弦规律变化一周｡我们把电流完成一次周期性变化所需的时间,叫做交流电的周期T,单位是秒｡我们把交流电在1秒钟内完成周期性变化的次数,叫做交流电的频率f,单位是赫兹｡ (2)最大值和有效值 交流电流的最大值 与交流电压的最大值 是交流电在一周期内电流与电压所能达到的最大值｡交流电的最大值 与 可以分别表示交流电流的强弱与电压的高低｡ 交流电的有效值是根据电流热效应来规定的｡让交流电和直流电通过相同阻值的电阻,如果它们在相同时间内产生的热效应相等,就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值｡通常用 表示交流电源的有效值,用I表示交流电流的有效值,用U表示交流电压的有效值｡正弦交流电的有效值与最大值之间有如下的关系: 当知道了交流电的有效值,很容易求出交流电通过电阻产生的热量｡设交流电的有效值为I,电阻为R,则在时间t内产生的热量 ｡这跟直流电路中焦耳定律的形式完全相同｡由于交流电的有效值与最大值之间只相差一个倍数,所以计算交流电的有效值时,欧姆定律的形式不变｡ 通常情况下所说的交流电流或交流电压是指有效值｡ (3)相位和相差 交流发电机中如果从线圈中性面重合的时刻开始计时,交流电动势的瞬时值是 ｡如果从线圈平面与中性面有一夹角 时开始计时,那么经过时间t，线圈平面与中性面有一夹角是 ,如图5-1-3所示,则交流电的电动势瞬时值是 ｡ 从交流电瞬时值表达式可以看出,交流电瞬时值何时为零,何时最大,不是简单地由时间t确定,而是由 来确定｡这个相当于角度的量 对于确定交流电的大小和方向起重要作用,称之为交流电的相位｡ 是t=0时刻的相位,叫做初相位｡在交流电中,相位这个物理量是用来比较两个交流电的变化步调的｡ 两个交流电的相位之差叫做它们的相差,用 表示｡如果交流电的频率相同,相差就等于初相位之差,即 ,这时相差是恒定的,不随时间而改变｡ 两个频率相同的交流电,它们变化的步调是否一致要由相差 来决定｡如果 ,这两个交流电称做同相位;如果 ,这两个交流电称为反相位;若 ,我们说交流电 比 相位超前 ,或说交流电 比 相位落后 ｡ 5.1.3 交流电的旋转矢量表示法 交流电的电流或电压是正弦规律变化的｡这一变化规律除了可以用公式和图像来表示外,还可以用一个旋转矢量来表示｡ 图5-1-4是正弦交流电的旋转矢量表示法与图像表示法的对照图,左边是旋转矢量法,右边是图像法｡ 在交流电的旋转矢量表示法中,OA为一旋转矢量,旋转矢量OA的大小表示交流电的最大值 ,旋转矢量OA旋转的角速度是交流电的角频率 ,旋转矢量OA与横轴的夹角 为交流电的相位,旋转矢量OA在纵轴上的投影为交流电的瞬时值 ｡ 交流电的旋转矢量表示法使交流电的表达更加直观简捷,并且也为交流电的运算带来极大的方便｡ §5.2 交流电路 5.2.1 交流电路 (1)纯电阻电路 给电阻R加上一正弦交流电,如图5-2-1所示: 其电压u为 ,电流的瞬时值I与U､R三者关系仍遵循欧姆定律: ,电流最大值 ,它们的有效值同样也满足 。 在纯电阻电路中,u､i变化步调是一致的,即它们是同相,图5-2-2甲表示电流､电压随时间变化的步调一致特性｡图乙是用旋转矢量法来表示纯电阻电路电流与电压相位关系｡ (2)纯电感电路 纯电感电路如图5-2-3所示： 自感线圈中产生自感电动势为 ,电路中电阻R可近似为零,由含源电路欧姆定律有 ， ,所以 ,自感电动势与外加电压是反相的｡ 设电路中电流 ,自感电动势为 ， 。由于 很短,依三角关系展开上式后,近似处理 ，则 ，由 得 由上面可见: a.纯电感电路中电压电流关系: ,其中 称为感抗( )，满足 ,其中 ,单位:欧姆｡ b.纯电感电路中,电压相位超前电流相位 ,它们的图像和矢量表示如图5-2-4的甲､乙图所示｡ (3)纯电容电路 纯电容电路如图5-2-5所示: 外加电压u,电容器反复进行充放电, ,设所加交变电压 ,与前面推导方式相同, 时间很短,得到 则 由上面可见: a.纯电容电路中电压电流关系: ，即 ,其中 称为容抗( )，满足 ,其中 ,单位:欧姆｡ b.纯电容电路中,电流相位超前电压相位 ,它们的图像和矢量表示如图5-2-6的甲､乙图所示｡ 5.2.2 位移电流 位移电流不是电荷作定向运动的电流，但它引起变化的磁场，所以也相当于一种电流。为了形象地表明位移电流,可以把它看作是由极板上电荷积累过程形成的｡ 1、交流电能通过电容器,是由于电容器在充､放电的过程中,电容器极板上的电荷发生变化,引起电场的变化而形成的｡连接电容器的导线中有传导电流通过,而在电容器内存在位移电流｡ 2、位移电流在产生磁场效应上和传导电流完全等效,因为二者都会在周围的空间产生磁场｡ 3、位移电流通过介质时不会产生热效应｡ 5.2.3 交流电路中的欧姆定律 (1)定义或解释 在交流电路中,电压､电流的峰值或有效值之间关系和直流电路中的欧姆定律相似,其等式为 或 ,式中I､U都是交流电的有效值,Z为阻抗,该式就是交流电路中的欧姆定律｡ (2) 由于电压和电流随元件不同而具有相位差,所以电压和电流的有效值之间一般不是简单数量的比例关系｡ a､在串联电路中,如图图5-2-7所示： 以R､L､C为例,每个元件两端的瞬时电流都相等为I。但总电压不等于各段分电压的和, ｡因为电感两端电压相位超前电流相位 电容两端电压相位落后电流相位 ｡所以R､L､C上的总电压,决不是各个元件上的电压的代数和而是矢量和｡ 以纯电阻而言, 以纯电感而言, 以纯电容而言, 合成的总电压 ｡则 ,得 ｡而电压和电流的相位差 ｡ 串联电路电压和电流关系的矢量图如图5-2-8所示： b､在并联电路中,如图5-2-9所示： 以R､L､C为例,每个元件两端的瞬时电压都相等为U｡每分路的电流和两端电压之间关系为 , , ｡但不同元件上电流的相位也各有差异｡ 纯电感上电流相位落后于纯电阻电流相位 ,纯电容上电流相位超前纯电阻电流相位 ｡所以分电流的矢量和即总电流 令 得 ｡ 5.2.4 交流电功率 在交流电中电流､电压会随时间而变,因此电流和电压的乘积所表示的功率也将随时间而变｡ 跟交流电功率有关的概念有:瞬时功率､有功功率､视在功率(又叫做总功率)､无功功率､以及功率因素｡ a.瞬时功率 由瞬时电流和电压的乘积所表示的功率｡ ,它随时间而变｡ 在任意电路中, 与u之间存在相位差 ｡ 在纯电阻电路中,电流和电压之间无相位差,即 ,瞬时功率 ｡ b.有功功率 用电设备平均每单位时间内所用的能量,或在一个周期内所用能量和时间的比｡ 在纯电阻电路中, 纯电阻电路中有功功率和直流电路中的功率计算方法表示完全一致,电压和电流都用有效值来计算｡ 在纯电感电路中(电压超前电流 ), 在纯电容电路中(电流超前电压 ), 以上说明电感电路或电容电路中能量只能在电路中互换,即电容与电源､电感与电源之间交换能量,对外无能量交换,所以它们的有功功率为零｡ 对于一般电路的平均功率（即有功功率）为 c.视在功率(S) 在交流电路中,电流和电压有效值的乘积叫做视在功率,即 ｡它可用来表示用电器(发电机或变压器)本身所容许的最大功率(即容量)｡ d.无功功率(Q) 在交流电路中,电流､电压的有效值与它们的相位差 的正弦的乘积叫做无功功率,即 ｡它和电路中实际消耗的功率无关,而只表示电容元件､电感元件和电源之间的能量交换的规模｡ 有功功率,无功功率和视在功率之间的关系,可用如图5-2-10所示的所谓功率三角形来表示｡ e.功率因数 发电机输送给负载的有功功率和视在功率的比, ｡ 为了提高电能的可利用程度,必须提高功率因数,或者说减小相位差｡ 5.2.5 涡流 (1)定义或解释 块状金属放在变化的磁场中,或让它在磁场中运动,金属内有感应电场产生,从而形成闭合回路,这时在金属内所产生的感生电流自成闭合回路,形成旋涡,所以叫做涡电流｡“涡电流”简称涡流,又叫傅科电流｡ (2)说明 1、涡流的大小和磁通量变化率成正比,磁场变化的频率越高,导体里的涡流也越大｡ 2、在导体中涡流的大小和电阻有关,电阻越大涡流越小｡为了减小涡流造成的热损耗,电机和变压器的铁芯常采用多层彼此绝缘的硅钢片迭加而成(材料采用硅钢以增加电阻)｡涡流也有可利用的一面｡高频感应炉就是利用涡流作为自身加热用,感应加热,温度控制方便,热效率高,加热速度快,在生产中已用作金属的冶炼｡在生活上也已被用来加热食品｡ 涡流在仪表上也得到运用｡如电磁阻尼,在磁电式测量仪表中,常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上,当测量电流流过线圈时,铝框随线圈指针一起在磁场中转动,这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力,抑止指针的摆动,使指针较快地稳定在指示位置上｡ 5.2.6 自感 (1)定义或解释 由于导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象叫做自感现象｡ 导体回路由于自感现象产生的感生电动势叫做自感电动势,自感电动势的大小和电流的变化率成正比, ｡这是由于电流变化引起了回路中磁通量变化的缘故｡式中比例常数L叫做自感系数｡ (2)单位 在国际单位制中,自感系数的单位是亨利｡ (3)说明 ①自感是导体本身阻碍电流变化的一种属性｡对于一个线圈来说,自感系数的大小取决于线圈的匝数,直径､长度以及线圈线芯材料等性质｡在线圈直径远较线圈长度为小时,则 ( 是线圈线芯材料的导磁率, 是线圈长度,N是线圈匝数,S是线圈横截面积)｡ ②自感现象产生的原因是当线圈中电流发生变化时,该线圈中将引起磁通量变化,从而产生感生电动势｡因此,自感电动势的方向也可由楞次定律确定｡当电流减小时,穿过线圈的磁通量也将减小,这时自感电动势的方向应和正在减小的电流方向一致,以障碍原电流的减小｡同理,当线圈中电流增大时,则穿过线圈的磁通量也随着增大,这时自感电动势的方向应和正在增大的电流方向相反,以障碍原电流的增大｡因而有时将导体的自感现象与惯性现象作类比,它们都表现为对运动状态变化的障碍,所以自感现象又叫做电磁惯性现象｡自感系数又叫做电磁惯量｡这也可在能量关系上作一类比,电场能的公式为 ,那储藏在磁场里的能量公式为 ,因而L与C(电容)相当,I与U(电压)相当,自感系数L又可叫做电磁容量｡但须注意,在线圈中被自感而产生电动势所障碍的是电流的变化,而不是阻碍电流本身｡所以线圈中电流变化率越大则线圈两端阻碍电流变化的感生电动势值也越大｡与电流的大小无直接关系｡ ③自感现象也可从能量守恒观点来解释｡在自感电路里,接通直流电源,电流逐渐增加,在线圈内穿过的磁通量也逐渐增大,建立起磁场｡在电流达到最大值前电源供给的能量将分成两部分,一部分消耗在线路的电阻上转变为热能;另一部分克服自感电动势做功,转化为磁场能｡如果线路上热能损耗很小,可以忽略不计,那么在电流达到最大值前,电源供应的能量将全部转化为磁场能｡当电流达到最大值时,磁场能也达到最大｡当电流达到最大值稳定时,自感电动势不再存在,电源不再供给电能｡ ④自感系数不仅和线圈的几何形状以及密绕程度有关,而且还和线圈中放置铁芯或磁芯的性质有关,如果空心线圈的自感系数为 ,放置磁芯后,线圈的自感系数 将增大 倍,即 ,式中 为磁芯的有效导磁率,它和磁芯材料的的相对导磁率 有内在的联系｡闭合的环形磁芯 和 数值相等｡它们还和导体中工作电流的大小有关｡ 和 也有所区别｡至于 的大小还与磁芯材料的粗细､长短等几何形状有关,例如,对棒形铁芯或包含有空气隙的环形磁芯来说, ｡用 的锰锌铁氧体材料制作的天线磁棒,其 常常不到10｡ 5.2.7 互感 (1)定义或解释 由于电路中电流的变化,而引起邻近另一电路中产生感生电动势的现象叫做互感现象｡ 导体由于互感现象,在次级线圈中产生感生电动势｡感生电动势的大小和初级线圈中电流的变化率成正比, ｡式中的比例常数 叫做互感系数｡ (2)单位 在国际单位制中,互感系数的单位是亨利｡ (3)说明 互感系数 的大小和初､次级线圈的自感系数有关｡当两个自感系数分别为L1和L2的线圈由闭合铁芯相连,而且初､次级线圈又耦合得十分紧密的情况下,即可看作是一种理想耦合｡在理想耦合时互感系数 ｡在一般情况下,两线圈之间不一定有铁芯相连,它们之间的磁耦合并不很紧密,其中某线圈中电流所激发的磁通量不全部通过另一线圈时,那么 ,k为耦合系数,它的物理意义是表示为磁耦紧密程度｡ k值和两线圈或回路的相对位置以及和周围的介质材料有关｡对于k值的选取,由实际需要而定｡如果要减小互感干扰,则选取较小的耦合系数;如果要加强互感,则选取较大的耦合系数｡ 5.2.8 三相交流电 三相交流电发电机原理如图5-2-11所示： 其中AX､BY､CZ三组完全相同的线圈,它们排列在圆周上位置彼此差120⁰｡当磁铁以角速度 匀速转动时,每个线圈中都会产生一个交变电动势,它们位相彼此为 ,因而有 (1)星形(Y型)连接的三相交流电源如图5-2-12所示： 三相中每个线圈的头A､B､C分别引出三条线,称为端线(火线),而每相线圈尾X､Y､Z连接在一起,引出一条线,此线称为中线｡因为总共接出四根导线,所以连接后的电源称为三相四线制｡ 三相电源中,每相线圈中电流为相电流,端线中的电流为线电流,每个线圈中电压为相电压,任意两条端线的电压为线电压｡则线电压与相电压关系 所以相对有效值而言,有 同理有: 即星形连接后,线电压为相电压的 倍，但相电流与线电流大小是一样的,即: (2)三角形(△形)连接的三相电源如图5-2-13所示： 它构成三相三线制电路｡由图可知,在此情形下线电压等于相电压,但线电流与相电流是不相等的,若连接负载在对称平衡条件下, 所以有: (3)三相交流电负载的星形和三角形连接如图5-2-14甲､乙所示： 星形连接时,有 ,电流关系: 若三相负载平衡｡即 ,则有: ,中线可省去,改为三相三线制｡ 三相负载的三角形连接时, ,而线电线电流是相电流的 倍｡