高中物理竞赛交流电电磁振荡电磁波知识点讲解

高中物理竞赛交流电电磁振荡电磁波知识点讲解一、知识网络或概要交变电流、交变电流的图象，正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值2．理想变压器、远距离送电3．传感器分类与应用4．交变发电机的原理5．纯电阻、纯电感、纯电容电路6．整流和滤波7．三相交流电及其连接8。振荡电路及振荡频率。9。电磁场和电磁波。电磁波的波速，赫兹实验。10．电磁波的发射和调制。11。电磁波的接收、调谐，检波。二、知识能力聚焦交变电流的产生：可通过线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动获得。瞬时表达式：e=EMsinwt,i=IMsinwt峰值的几种表达式：EM=NBSw=N对正(余)弦式交流电有效值和峰值的关系:,在没有说明的前提下,所说的交流电动势、电压、电流都是指有效值.线圈转到线圈平面和中性面重合的特点:(1)线圈平面与磁感线垂直;(2)最大(3)=0;(4)e=0;(5)i=0;(6)它是交变电流改变方向的分界面图像:如图所示,要求:(1)由瞬时值表达式能画出图像;(2)由图像能求出峰值、T、f、w以及瞬时表达式.变压器:(1)理想变压器磁通量全部集中在铁芯(即没有漏磁),变压器本身不损耗能量,因此输入功率等于输出功率.(2)理想变压器原副线圈的端电压与匝数的关系为,此式对于一个或几个副线圈的变压器都适用,还适用于两个副线圈之间的端电压和匝数的关系.(3)理想变压器原副线圈的电流与匝数的关系为,此式仅适用于只有一个副线圈供电时的变压器,若有几个副线圈同时输出电流则有:远距离送电:(1)远距离送电时,输电线导线上的发热损失;(2)减少输电线上的电阻是减少电能损失的一种方法,但此方式减少的损失是有限的;(3)减少输电线中电流可以有效减少输电线上电能的损失,由于,因此在输送功率一定时,可采用高压送电的方式以减少输电线上电能损失.通过实验了解光敏电阻,热敏电阻特性:光敏电阻,热敏电阻都是用半导体材料制成的,故光敏电阻的阻值随照射光强度的变化而迅速变化,光强越大其阻值越小;热敏电阻的阻值随温度的变化而迅速变化,温度越高其阻值越小.10、两类发电机：（1）左图为旋转电枢式发电机，右图为旋转磁极式发电机。思考：左图中A极为等效电源的极；右图中A极为等效电源的极。（2）、e=EMsin(wt+)的意义如图14-1-4所示，设矩形线圈abcd,在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于B的转轴，以角速度w从中性面位置开始匀速转动，当线圈平面与中性面的夹角为时，线圈中的感生电动势可以表示为当矩形线圈有N匝时，相当于N个同样发电机串联，则总电动势为当t=0，且线圈平面与中性面的夹角为时，则电动势为这就是正弦交流电动势的基本计算公式。1.的三个意义——在公式中不仅表示线圈平面与中性面的夹角，也表示线圈法线（n）与磁感应强度（B）的夹角，还表示线速度（v）与B的夹角。这里，要特别注意：不要将角与线圈平面与B的缴交混淆，且与互为余角，即+=90。因此，当已知角时，正弦电动势则为2.正弦交流电的三要素若设，则正弦电动势还可以表示为式中为正弦电动势的最大值，且w为正弦交流电的角频率，且而则为正弦交流电的初相，当t=0时，利用上式，可以极为简洁地求出3.三个容易混淆的最大值、（）m和根据法拉第电磁感应定律，正弦交流电动势还可以表示为上式表明：正弦电动势的产生，是由于磁通变化率虽时间按正弦规律变化的结果。这里，要特别注意区分正弦交流电的三个最大值，不要混为一谈。磁通量最大值：电动势最大值：磁通变化率最大值：因为，而，所以e和达到最大值的时刻相同，但与达到最大值的相位相差90。，即当e、最大时：当e、为0时：这一结果，根据图线的斜率，，从图线上一线急可看出（图14-1-5）。在两极磁场，即一对磁极的磁场汇总，发电机转子转一圈，正弦交流电变化一周，所以而在n对磁极磁场中，发电机转子转一圈，要经过n个中性面，交流电将变化n周，所以（3）、外力矩与安培力矩当转子匀速转动时，转子在每时每刻外力矩与安培力矩平衡，设线圈的总电阻为R，且初相位为零，则M外和M安随时间变化的图象如图：tT2TOu甲tOuRttT2TOu甲tOuRtOiR图2乙丙注意：R、L、C串联电路的阻抗为。12、整流与滤波A、整流：整流就是将交流电变成直流电的过程，通常利用晶体二极管的单向导电性来达到整流的目的。理想的晶体二极管的正向电阻为零，反向电阻无穷大。（1）、半波整流uRuRRuabB～＋－当变压器的初级线圈有交流电输入时，变压器的次级线圈就有交流电压输出，设变压器输出的交变电压为u=u0sinωt，它的波形如图２甲所示。ROROabD2D1＋－～ｕｕ图3图2乙是负载电阻的电压波形，图2丙是负载电阻的电流波形。可见，整流后负载电阻获得的是强度随时间变化的直流电，也叫脉动直流电。半波整流电路简单，使用元件少，但只利用交流电的半个周期，变压器的利用率低。（2）、全波整流tTtT2TOu甲tOuRtOiR图4乙丙～a～abD1D2D3D4R＋－图5～～RCD图6（甲）图6（乙）O滤前波滤后波tUR图7（乙）图7（乙）O滤前波滤后波tURRD2D1～图7（甲）L电感线圈具有阻碍电流变化的作用，也可以做滤波元件，图7甲是带有电感滤波的全波整流电路。低频扼流圈L和负载电阻R串联。由于串联电路有分压作用，当低频扼流圈的电感比较大时，感抗也比较大，电压的交流成分大部分降在低频扼流圈上。低频扼流圈的电阻一般比负载电阻小，电压的直流成分大部分降在负载电阻上。因此，负载电阻的电压和电流就平稳多了，电感线圈的电感越大，负载电阻的电压和电流就越平稳。图7的粗实线是经过电感滤波的波形。～R图8C1C～R图8C1C2L13．三个构造完全相同的线圈共轴放置，互成120°角固定，并让它们在垂直于转轴的匀强磁场中作匀角速转动。这三个线圈上就产生了三个电动势。这三个电动势的最大值和频率相同，相位差各为2π/3，若从某一线圈经过中性面时开始计时，它们的瞬时值可分别写成，，。三相电源的三个线圈的连接方法有星形（Y）和三角形（△）两种接法。OOABCB′C′A′O′ABCB′C′A′图1图2对星形接法有：同理可得：，aObccab图3图4aObccab图3图4在三相电路中，负载的连接有两种方式，即星形（Y）连接和三角形（△）接法如图3和图4所示。星形接法在负载对称的情况下，各相电流的有效值相等，相位彼此相差电磁振荡电路中的电荷和电流及与它们相联系的电场和磁场作周期性变化的现象叫电磁振荡。最简单的产生振荡电流的电路是LC回路（如图），电路中各个量的变化如下表：如果忽略这个过程的能量损耗，可以认为线圈贮有的磁场能和电容器贮有的电场能之间的转移就会周而复始的进行下去。当电容器充电到电压U时，电容器贮存的能量是。电感线圈的电流由零增加到I，则线圈贮存的能量是。这种没有能量损失的振荡，其振幅保持不变，称为无阻尼振荡。另一种有能量损失，振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫阻尼振荡。实际上，由于电磁辐射以及线路中有电阻产生焦耳热，在振荡中总有能量损失，得到的是阻尼振荡。为了获得等幅振荡，需用振荡器靠晶体管周期性地把电源的能量补充到振荡电路中。振荡周期：T=电磁场和电磁波麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上，建立了完整的电磁理论，主要内容是：（1）变化的磁场产生电场（即涡旋电场。与静电场不同，它的电场线是闭合的，另外在涡旋电场中，移动电荷时电场力做的功与路径有关）；（2）变化的电场会产生磁场，即把变化的电场看作一种电流（称位移电流），这个电流能产生磁场。如果空间某处产生了振荡电场，在周围空间就要产生振荡磁场，这个振荡磁场又要在较远的空间产生新的振荡电场，接着又要在更远的空间产生新的振荡磁场，这样变化的电场和磁场总是相到联系着，形成一个不可分割的统一体，这就是电磁场。电磁场由近及远向外传播就形成电磁波。在电磁波中，每处的电场强度和磁感强度的方向总是互相垂直的，并且都与那里的电磁波传播方向垂直。因此，电磁波是横波。16．电磁波的发射（1）、开放电路由普通的电容器和线圈组成的振荡电路如图所示，这种振荡电路，电场几乎完全包围在电容器两极板之间，电场能也就几乎完全集中在这里；同样的，磁场能几乎完全集中在线圈内，在振荡过程，电场能和磁场能主要是电路中相互转变，辐射出去的能量很少，这样的电路叫闭合电路。为了使振荡电路有效地向空间辐射能量，也就是能发射电磁波，必须尽可能使电场和磁场分散开。将图1的电路改装为图2这种开放电路。实际应用开放电路时，把线圈下部用导线接地，这条导线叫地线；把线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫天线。天线和地线形成了一个敞开的电容器。对于电磁波发射的进一步研究表明，电磁振荡的频率越高，向外辐射的能量就越大。为了使开放电路里产生振荡电流，通常使开放电路的线圈L1跟振荡电路的线圈L接近。这样振荡电路里有振荡电流时，由于互感作用，在开放电路里就产生了同样频率的振荡电流，从而发射出电磁波。这种方法叫感应耦合。（图3）图1图1图2LLL1天线地线图3L1L2DC2耳机C1L1L2DC2耳机C1图4（3）、电磁波的接收接收回路实际上是一个LC串联电路，频率不同的无线电波都将在线圈L中产生振荡电流。因接收电路产生的振荡电流受迫振荡，当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强。这种现象叫电谐振。使接收电路产生电谐振的过程叫调谐。由调谐电路接收到的振荡电流，是经过调制主高频振荡电流，它还不是我们需要的信号。因此还必须从高频振荡电流中取出发射时加上