交变电流专题教案讲义

第一模块：交变电流产生、说明“巩固基础知识”1 .交变电流的几个基本问题(1)交变电流含义交变电流：大小和方向随时间周期性变化的电流称为交变电流，简称为交流。正弦式电流随时间按正弦定律变化的电流称为正弦式电流，正弦式电流的图像为正弦曲线，我国市用的交变电流为正弦式电流。(2)产生交变电流的基本原理交变电流的产生一般通过电磁感应现象来实现。 因此，产生交变电流的基本原理可以说是遵循电磁感应现象的法拉第电磁感应法则。(3)产生交变电流的基本方式简单的基本方式使线圈在均匀的强磁场中相对等速旋转，切断感应线产生交变电流。 这几乎是所有交流发电机的基本模式。(4)产生正弦式电流发生方法：如图所示，将一个平面线圈置于均匀的强磁场中，并使其围绕与感应线垂直的轴等速旋转，线圈就会产生正弦式的电流。中性面：中性面的特征是，线圈在中性面时，通过线圈的磁通最大，磁通的变化率为零，感应电动势为零的线圈通过中性面时，内部的电流方向发生变化。(3)交变电流定律(以交变电动势为例)函数形式： n圈面积为s的线圈以角速度旋转，从某一时刻经过中性面后计时，用e=NBSsint、Em表示峰值NBS时，e=Emsint、电流。图像显示如图所示二、表示交变电流的物理量1、周期、频率交变电流的周期和频率是记述交变电流的变化速度的物理量。周期t :交变电流周期性变化1次所需要的时间，单位为秒(s )，周期越大交变电流的变化越慢，交变电流的方向在1个周期变化2次。频率f:的交变电流在1s以内周期性变化的次数，单位为赫兹，符号为Hz，频率越大，交变电流的变化越快。关系：2 .瞬时值、最大值、有效值、平均值(1)感应电动势瞬时值式：从中性面开始，感应电动势的瞬时值公式：伏线。感应电流瞬时值式：(安)当线圈平面与磁力线平行后开始计时时，感应电动势瞬时值式如下伏线。感应电流瞬时值式：(安)计算施加在通电导体和线圈上的安培力时，应用瞬时值。(2)交变电流的最大值(以交变电动势为例。交变电动势的最大值：线圈旋转到通过线圈的磁通为0的位置时，获取此值。 与线的形状无关，应该强调该公式为。 考虑交流电路中电容器的耐压值时，请采用最大值。(3)交变电流有效值有效值由电流的热效应规定，在周期的整数倍的时间内(一般交变电流的周期短，商用周期只有0，02 s，因此在我们考察的长时间内，几乎可以看作周期的整数倍)，如果交变电流和某恒定电流流过相同电阻时的热效应相同，则将该恒定电流的数值作为该交变电流的数值注：这是三个同下的等价。正弦交流的有效值和最大值的关系如下。上述关系式仅适用于线圈在一定强磁场中相对等速旋转时产生的正弦交变电流，相对于以其他方式产生的交变电流，有效值与最大值的关系一般与此不同，其他形式的交流电流通过热效应进行相同的计算，阶段性地计算在有效电流的一个周期内的电阻产生的热量这是根据有效值的定义进行具体分析的。一般的交变电流计直接测量交变电流的有效值，一般在电器产品的铭牌上直接显示交变电流的有效值，一般不作任何说明的交变电流的数值指的是有效值。问题类型分析类型问题：交流影像问题的分析方法图例：矩形线圈以垂直均匀的强磁场绕位于线圈平面内的固定轴旋转，线圈中的感应电动势e的时间t的变化如图所示，在以下表现中是正确的：()在a、t1时刻通过线圈的磁通量为零b、t2时刻通过线圈的磁通的绝对值最大在c、t3时刻通过线圈磁通变化率的绝对值最大每次d.e改变方向时，通过线圈的磁通的绝对值最大图例示：均匀的强磁场中的矩形线圈abcd以一定的角速度围绕ab旋转，磁场的方向与纸面平行且与ab垂直，在t=0时线圈平面与纸面重叠(图)，线圈的cd远离纸面向外移动，若将abcda的方向的感应电流规定为正，则线圈的感应电流【例题】与演示用的抖动发电机模型一样，均匀强磁场磁感应强度B=0.5T，线圈匝数N=50匝，每匝的线圈面积为0.48m，转速为150r/min。 等速旋转中，从图示的位置使线圈旋转90度开始计时。写交流感应电动势瞬时值的公式。画e-t线。类型问题：关于交变电流若干值的应用1 .交变电流的瞬时值【例题】有正弦波交流电源，以电压有效值U=120V、频率f=50Hz向霓虹灯供电，如果霓虹灯的激励电压和熄灭电压都是U0=60V，试着估算一个小时以内霓虹灯发光的时间是多少吧，为什么人的眼睛感觉不到这种突然的暗现象？ (人的视觉暂时约为1/16s )2 .交变电流最大值【例题】为了将电容器c连接到220V的交流电路上，防止电容器被破坏，电容器c的耐压值是多少？分析： 200V以上，许多学生认为电容器与灯泡类似，额定电压220 V的灯泡与220 V的交流电源连接，正常发光，电容器的耐压值也在220 V以上，实际上，电容器与交流电路连接，持续充放电，电容器的两极间电流3 .交变电流的有效值关于交流电流的有效值，使交流和直流通过相同电阻值的电阻，在相同时间产生的热量相等的情况下，将该直流的数值称为该交流的有效值。图示出了交变电流的电流随时间变化的情况，但该交变电流的有效值：()A.5A B.5AC.3.5A D.3.5A【例题】如果使图中的(a )和(b )所示的电流的最大值相等的正弦交变电流和方波交变电流流过完全相同的电加热器，则该电加热器的热功率之比为： p甲：乙=_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _图1是左图是某种类型的电热毯子的电路图，电热毯子与交变电源连接，经由装置p施加给灯丝的电压波形如右图所示。 此时，与电热线两端连接的交流电压计的值A.110V B.156V C.220V D.311Vpu V方式12345o.ot/10-2s秒u/V311【例题】交流发电机的转子中有n匝线圈，每匝的线圈周围面积为s，均匀强磁场的磁感应强度为b，等速旋转的角速度为，线圈内阻为r，外电路电阻为r。 在线圈从图中实线位置等速旋转90度而到达虚线位置的过程中，求出以下内容.通过r的电荷量q是多少？ r产生的电QR是多少？外力下的工作w是多少？4 .交变电流平均值交变电流的平均值是交流图像中由曲线图和横轴所包围的面积值与时间的比。 其大小可以用法拉第电磁感应定律求出，特别是在线圈从中性面旋转90度的过程中，(根据前面的证明)计算平均值不是算术平均法。 平均值不等于有效值。图5是示出在将线圈的电阻设为r、线圈从图示的位置旋转60度的过程中，求出通过具有线圈的横截面的电量的图第二模块：变压器“巩固基础知识”1 .根据电磁感应原理改变交流电压，变压器工作的基础是互感现象2、理想变压器的结构、作用、原理及特点。结构：两组线圈(原、副线圈)缠绕在同一个闭合铁心上，构成所谓变压器。作用：在输送电能的过程中改变电压。原理：其工作原理利用了电磁感应现象。特点：正因为是利用电磁感应现象工作的，变压器才能在输送交变电流的电能中改变交流电压。3 .理想变压器理想化条件理想变压器的理想条件一般是忽略原、副绕组内阻的分压，忽略原、副绕组磁通的差异，忽略变压器自身的能量损失(实际上也忽略变压器原、副绕组电路的功率要素的差异)。理想变压器法则本质上是法拉第电磁感应法则和能量转化和保存法则在上述理想化条件下的新表现形式。4 .理想变压器基本关系式：变压比：电流关系：对于一些副线圈：，或者5、各物理量的关系原级线圈电压U1由供给原级线圈电压电源决定输入电压随输出电压即变化而变化，因此只要不变化，负载无论如何变化都不会变化。输出电流决定输入电流。输入电压不变化时，不变化。 负载电阻r增大时，输出电流减小，从而输入电流也减小，相反，负载电阻r减小时，输出电流增大，输入电流也增大。输出功率决定输入功率理想变压器的输入功率与输出功率相等，即=。 输入电压不变化时，不变化。 消耗功率增加时，输出功率增大，输入功率也增大，相反，消耗功率减小时，输出功率减小，输入功率也减小。a、变压器为无负载时，因为没有电流、功率输出，所以输入功率也为零b、副绕组短路时，I2无限大，I1也无限大烧坏变压器6 .变压器有次级线圈时电压与圈数的关系：电流与圈数的关系：电力关系：问题类型分析类型问题：一般类(一原一副、)形铁心)如图所示，理想变压器的初级绕组匝数比为n1:n2=4:1，初级绕组电路中的电阻a与次级绕组电路中的负载电阻b的电阻值相等，在对a、b端子施加了一定的交变电压之后，两个电阻的功率比PA:PB=_，两个电阻的两端电压比ua 33601:16 1:4类型问题：变压器的动态问题图示为理想的变压器，k为单极双掷开关，p为滑动电阻器的折动触头，U1为施加于原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流强度，如果a、u-1和p的位置不变，k由a到b对齐，则I-1增大如果b、u-1和p的位置不变，k由b调到a，r消耗的功率就会下降不改变c、U1，使k对准a，使p滑动，增大I1如果不改变d、p的位置而将k对准a，则U1变大时I1变大类型问题：多子线圈问题【例题】在理想的变压器原级线圈的匝数n1=1100匝、两个副线圈的匝数n2=60匝、n3=600匝下，当求出两个副线圈的电流强度分别为I2=1A、I3=4A时2.24A类型标题：“”型铁心问题图1表示图中的变压器对称铁心的示意图，此时向初级线圈侧输入交流电压，在初级线圈匝数n1=22匝、次级线圈匝数n2=6匝中，从次级线圈cd侧输出的电压的有效值为(从铁心磁通通路的对称性可知，初级线圈中的磁通的变化a，15V B，30V C，60V D，120V类型问题：变压器“变比”功能的扩展变压器的本质是根据电磁感应现象中的互感原理改变交流电压和电流。 如果原线圈的磁通发生变化，由于次级线圈产生感应电动势，变压器不能改变一定的直流电力，但是可以改变大小变化的脉动直流电力。图1是表示电流强度随时间变化的图像为正弦交流电流的正方向部分的脉动电流的图。 在此，通过图2所示的理想变压器的原线圈，得知理想变压器原线圈、副线圈的匝数之比。 在副线圈上连接有电阻值恒定的电阻R0，求出该电阻的电力。0.72W瓦第三模块：远距离输电“巩固基础知识”(1)键：减少功率损耗和电压损耗电力损失：远距离输送电能，通过输电线上的电流热效应将电能转换为热能。 出现电力损失。 的双曲馀弦值。电压损失：远距离输送电力，线路中的电阻r消耗一部分电压。 的双曲馀弦值。(二)方法：a、减小输电线电阻，例如采用电阻率小的材料来增大引线的截面积b .提高输电电压，减小输电电流(3)交流远距离高压输电电路的模式如图所示(4)远距离高压输电的若干基本关系：功率关系：电流电压关系：输电电流：输电线路上的损耗功率：问题类型分析【例题】有河流，流量Q=2 m3/s，落差h=5m，现在利用该发电，发电机的总效率为50%，输出电压为240V，输电线的总电阻R=30，容许损耗电力为输出电力的6%，为了满足电力需求，该输电线所使用的理想电压、降压变压器的匝数比分别为多少、235:11 470第四模块：电感和电容器对交流电流的作用“巩固基础知识”(1)电感对交流电流阻碍作用电感对直流的阻碍作用小，所以“通过直流”，交流也有阻碍作用，所以“停止交流”，交流频率越高，电感的阻碍作用越大，低频的阻碍作用小，所以“通过低频，阻止高频”是指感应对交变电流的阻碍作用的大小用感应性XL表示，XL=2fL(L为线圈的自感)。电感阻碍交变电流的原因：线圈中电流变化时，线圈产生自感应电动势，自感应电动势始终阻碍线圈的电流变化。扼流线圈中有被称为低频扼流线圈的线圈，线圈的自感l大，具有“通过直流，切断交流”的作用的另一个被称为高频扼流线圈，线圈的自感l小，起到“通过低频，阻止高频”的作用电容器对交流电流的作用虽然电容器在直