高中物理5.1 交变电流2课件人教版选修32.ppt

一 交变电流 穿过闭合电路的磁通量发生变化时 产生感应电流 而磁通量变化的方式不同 产生的感应电流也不同 感应电流可以是恒定的 可以是变化的 可以是周期性变化的 本节我们将研究一种十分重要的周期性变化的电流 正弦式交变电流 直流电 电流方向不随时间而改变 一 交变电流的产生 按下图所示进行实验演示 实验现象 缓慢转动线圈时 电流计指针在左右摇动 线圈每转一周 指针左右摆动一次 1 交变电流 大小和方向都随时间作周期变化的电流 叫做交变电流 简称交流 2 闭合的线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时 产生交流 但这不是产生交流的惟一方式 设正方形线圈的边长为l 在匀强磁场b中绕垂直于磁场的对称轴以角速度匀速转动 如图所示 ab和cd边垂直于纸面 转轴为o 1 线圈转动一周 电流方向改变多少次 2 线圈转到什么位置时磁通量最大 这时感应电动势是最大还是最小 3 线圈转到什么位置时磁通量最小 这时感应电动势是最大还是最小 看动画回答问题 为了能更方便地说明问题 我们将立体图转化为平面图来分析 b s 最大 各边不切割磁感应线 无感应电流 中性面 甲 b s 最大 各边不切割磁感应线 无感应电流 中性面e 0 i 0 有最大值 b s 0 a b d c 垂直切割 感应电流最大 b s 0 a b d c 垂直切割 e最大 感应电流最大 电流方向a b 乙 b s 最大 各边不切割磁感应线 无感应电流 中性面 b s 最大 各边不切割磁感应线 无感应电流 中性面 丙 e 0 i 0 有最大值 b s 0 垂直切割 感应电流最大 b s 0 垂直切割 e最大 感应电流最大 电流方向b a 特点 a 磁通量 为0b e最大 磁通量的变化率 t最大 返回 1 甲 丙 中性面 线圈与磁感线垂直的平面 2 乙 丁 最大值面 线圈垂直中性面 结论 特点 a 磁通量 最大 b e 0 磁通量的变化率 t为零 c 当线圈转至中性面时 电流方向发生改变 d 线圈转动一周电流方向改变两次 以线圈经过中性面开始计时 在时刻t线圈中的感应电动势 ab和cd边切割磁感线 所以 令 则有 e为电动势在时刻t的瞬时值 em为电动势的最大值 b s 二 交变电流的变化规律 em nbs 设线圈平面从中性面开始转动 角速度是 经过时间t 线圈转过的角度是 t cd边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于 t ab cd宽l1 ad bc长l2 磁感应强度是b cd边中的感应电动势就是 ab边中的感应电动势跟cd边中的大小相同 而且两边又是串联的 所以 这一瞬间整个线圈感应电动势 成立条件 转轴垂直匀强磁场 经中性面时开始计时 1 电动势按正弦规律变化 2 电流按正弦规律变化 3 电路上的电压按正弦规律变化 电流通过r时 2 交变电流的变化规律 e nbs sin t emsin t 从中性面开始计时 e nbs cos t emcos t 从b s开始计时 i nbs r sin t imsin t 从中性面开始计时 i nbs r cos t imcos t 从从b s开始计时 u umsin t 从中性面开始计时 u umcos t 从从b s开始计时 1 感应电动势 2 感应电流 3 外电路电阻两端的电压 1 建立交流电的瞬时方程必须首先确定em 同时注意起始位置 是从中性面开始是正弦曲线 e emsin t 从垂直中性面开始是余弦曲线 e emcos t 2 由em n 2bl1v nbl1l2 nbs n m 可知 峰值em与线圈的面积有关 而与垂直于磁场方向的转动轴的位置无关 与线圈的形状也无关 3 转速对交变电流的影响 由e nbs sin t可知 当转速增大时 角速度也增大 使得感应电动势随之增大 同时交变电流的变化也加快 交流电的图像 3 交变电流的种类 1 正弦交流电 2 示波器中的锯齿波扫描电压 3 电子计算机中的矩形脉冲 4 激光通信中的尖脉冲 交流发电机 发电机的基本组成 发电机的基本种类 交流发电机简介 1 发电机的基本组成 用来产生感应电动势的线圈 叫电枢 用来产生磁场的磁极 2 发电机的基本种类 旋转电枢式发电机 电枢动磁极不动 旋转磁极式发电机 磁极动电枢不动 无论哪种发电机 转动的部分叫转子 不动的部分叫定子 总结 1 交变电流 大小和方向都随时间作周期性变化的电流 2 交变电流的变化规律 方向变化规律 线圈平面每经过中性面一次 感应电流的方向就改变一次 线圈转动一周 感应电流的方向改变两次 大小变化规律 按正弦规律变化 e emsin tem nbs 叫电动势的最大值i imsin tim em r叫电流的最大值u umsin tum imr叫电压的最大值 1 在如图所示的几种电流随时间变化的图线中 属于交变电流的是 属于正弦交变电流的是 a b c d abd a 三例题 2一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动 线圈中的感应电动势随时间的变化规律如图所示 下面说法中正确的是 t1时刻通过线圈的磁通量为零 t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大 t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大 每当e变换方向时 通过线圈的磁通量的绝对值都为最大 答案 d 3 交流发电机工作时的电动势的变化规律为e emsin t 如果转子的转速n提高一倍 其它条件不变 则电动势的变化规律将变化为 a e emsin2 tb e 2emsin2 tc e 2emsin4 td e 2emsin t 例题3 线圈从中性面开始转动 角速度是 线圈中的感应电动势的峰值是em 那么在任一时刻t感应电动势的瞬时值e为 若线圈电阻为 则感应电流的瞬时值 为 e emsin t i em r sin t 5 影响产生感应电动势大小的因素可能是 a 线圈的面积b 线圈的转速c 磁场强弱d 线圈电阻 abc 6 一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311v 线圈在磁场中转动的角速度是100 rad s 1 写出感应电动势的瞬时值表达式 2 若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路 电路的总电阻为100 试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式 在t 1 120s时电流强度的瞬时值为多少 3 线圈从中性面转过180度的过程中 电动势的最大值 平均值分别是多少 4 转动过程中磁通量的变化率最大值是多少 答案 1 e 311sin100 t v 2 i 3 11sin 100 1 120 3 11 1 2 1 55 a 3 em 311ve n t 2nbs 198v 4 t 311 n wb s 7 手摇发电机转动时 小灯泡为何一闪一闪的呢 分析 1 灯泡发光需要一定的电压 只有大于该值时 才能使灯泡发光 2 如图所示 当t1 t t2时间内 小灯泡亮了 当t2 t t3时间内 小灯泡变暗了 在t3 t t4时间内小灯泡又亮了 8 放置在水平面上彼此平行的导轨与电阻r相连 如图所示 匀强磁场的磁感应强度为b 与导轨平面垂直 一根长度为l 等于平行导轨间距 的金属棒电阻为r 放置在导轨上 当金属棒在aa 和bb 之间做简谐运动时 速度随时间的变化规律是v v0cos t 试求 1 通过电阻r的电流和它两端的电压 2 说明通过r的电流在什么时刻改变方向 在什么时刻变化率最大 思路分析 本题考查做简谐运动的物体切割磁感线产生的交流电 既然是切割磁感线的运动 根据e blv即可求得感应电动势 要注意v应代入瞬时值求得瞬时感应电动势 导体棒速度为零时 瞬时电动势为零 就在此时改变速度方向 也同时改变电流方向 解析 1 因为导体棒做简谐运动 必定在aa 和bb 中间的oo 速度最大 此时刻便是v v0cos t的计时起点 导体棒产生的感应电动势 通过电阻r的电流 r两端的电压 2 导体运动方向发生变化 即导体棒在aa bb 位置时电流的方向发生变化 此时刻导体棒的速度为零 瞬时电