《交变电流的产生》讲义

《交变电流的产生》讲义交变电流的产生同学们好，咱们现在开始学习高中粤教版选修31的内容啦，今天要讲的是第一章电场、第三章电磁感应与交变电流中的第三节交变电流的产生。一、交变电流是啥呢？咱先来讲个有趣的事儿。我小时候啊，家里有个老电扇。那电扇转起来的时候，有时候快有时候慢，而且我发现它转的时候，那个灯啊，有时候会一闪一闪的。后来我才知道啊，这就跟交变电流有关系呢。交变电流啊，简单来说就是大小和方向都随时间做周期性变化的电流。这和咱们之前学的直流电可不一样，直流电的方向是不变的。就好比一条河，直流电就像河水只朝着一个方向流，而交变电流就像河水一会儿朝这个方向流，一会儿又朝另一个方向流。1、正弦式交变电流这是一种特别常见的交变电流。它的电流随时间变化的图像就像波浪一样，是正弦函数的形状。那这个正弦式交变电流是怎么产生的呢？这就和一个很神奇的装置有关啦。二、交变电流产生的原理1、矩形线圈在匀强磁场中匀速转动想象一下，有一个矩形的线圈，就像咱们平时见到的长方形的框子一样。这个线圈放在一个匀强磁场里，这个磁场的强度到处都一样。然后让这个线圈匀速地转动起来，就像一个小轮子一样不停地转啊转。这时候啊，线圈的两边就会切割磁感线。根据电磁感应定律，只要导体切割磁感线就会产生感应电动势。这个感应电动势呢，就会导致电流的产生。咱们具体来分析一下这个过程。当线圈刚开始转动的时候，比如说从平行于磁感线的位置开始转。这时候，线圈的两边切割磁感线的速度是逐渐增加的，所以产生的感应电动势也是逐渐增加的。当线圈转到垂直于磁感线的位置时，切割磁感线的速度达到最大，感应电动势也就达到最大。然后继续转，切割磁感线的速度又慢慢变小，感应电动势也变小，这样就形成了一个周期性的变化。我再给你们举个例子啊。就像咱们骑自行车，脚蹬子在不同的位置，咱们用力的大小是不一样的。当脚蹬子在最上面或者最下面的时候，就像线圈平行于磁感线的时候，这时候要想让自行车动起来，得使很大的劲儿，就像刚开始产生感应电动势的时候。当脚蹬子在水平位置的时候，就像线圈垂直于磁感线的时候，这时候用力比较轻松，但是速度最快，就像感应电动势最大的时候。2、中性面的概念这里还有个很重要的概念叫中性面。这个中性面啊，就是线圈平面和磁感线垂直的这个平面。当线圈处在中性面的时候，穿过线圈的磁通量最大，但是感应电动势却是最小，为零呢。这就有点奇怪了吧？其实就像一个水池子，当水池子的水最满的时候，水反而不流动了一样。三、交变电流的变化规律1、感应电动势的瞬时值表达式咱们经过推导啊，可以得到感应电动势的瞬时值表达式。如果用e表示感应电动势，N表示线圈的匝数，B表示磁场的磁感应强度，S表示线圈的面积，ω表示线圈转动的角速度，那么这个表达式就是e＝NBSωsinωt。这个式子可重要啦，就像一把钥匙，能打开很多关于交变电流的问题的大门。咱们来解释一下这个式子里面的东西。N就像一个倍数，线圈匝数越多，产生的感应电动势就越大。B就像磁场的力量，磁场越强，感应电动势也越大。S呢，就像线圈这个框子的大小，框子越大，感应电动势也越大。ω就像线圈转动的速度，转得越快，产生的感应电动势变化得就越快。sinωt这个部分呢，就是描述这个周期性变化的函数。我给你们举个例子啊。比如说咱们有两个线圈，一个匝数是100，另一个匝数是50，其他条件都一样。那么匝数是100的那个线圈产生的感应电动势在相同时间内肯定比匝数是50的那个要大。就像两个人跑步，一个人腿长，跑一步的距离就大，在同样的时间里跑的路程就远一样。2、电流和电压的瞬时值表达式有了感应电动势的瞬时值表达式，那电流和电压的瞬时值表达式就好推导了。根据欧姆定律，电流i＝e／R（这里R是电路的电阻），所以i＝（NBSωsinωt)／R。电压u＝e，所以u＝NBSωsinωt。四、交变电流的图像1、正弦式交变电流的图像特点咱们来画一下正弦式交变电流的图像。它的横轴是时间t，纵轴是电流i或者电压u或者感应电动势e。这个图像就像波浪一样，有波峰和波谷。波峰就是最大值，波谷就是最小值。而且这个图像是周期性重复的，就像咱们的四季一样，春去秋来，年复一年。比如说咱们家里的交流电，它的频率是50Hz，这就意味着每秒会有50个这样的周期。那这个频率是怎么来的呢？其实就是和线圈转动的速度有关系。如果线圈转得快，那么产生的交变电流的频率就高；如果转得慢，频率就低。2、从图像中获取信息从这个交变电流的图像中，我们可以得到很多有用的信息。比如说我们可以知道最大值是多少，最小值是多少，周期是多长，频率是多少等等。这就像看地图一样，从地图上我们能知道哪里是山，哪里是河，距离有多远。五、交变电流产生中的能量转化1、机械能转化为电能当我们让线圈在磁场中转动的时候，我们是给了线圈机械能的。这个机械能通过电磁感应的过程就转化成了电能。就像我们用手摇发电机发电一样，我们摇动手柄的力气就是机械能，最后发出来的电就是电能。我记得有一次我去参观一个小水电站。那里有个很大的水车，水流推动水车转动，水车又带动发电机的线圈转动，然后就产生了电。这个过程就是把水的机械能转化成了电能，和我们讲的线圈在磁场中转动产生交变电流的能量转化是一样的道理。2、电能的传输和利用产生了交变电流之后呢，这个电能就要传输到各个地方去使用。在传输的过程中，我们会用到变压器来改变电压。这是为什么呢？因为根据P＝UI（这里P是功率，U是电压，I是电流），在传输功率一定的情况下，电压越高，电流就越小。电流小了，在传输线路上的损耗就小。比如说我们从发电厂把电送到很远的地方，如果直接用低电压传输，那么电流就会很大，在传输线路上就会有很多电能变成热量散失掉。就像我们用很细的水管送水，如果水的流量很大，那么在水管壁上就会有很多水因为摩擦而损失掉。但是如果我们把电压升高，电流变小，就像用粗一点的水管送水，损失就会小很多。六、这节课的重点和难点1、重点（1）交变电流产生的原理，特别是矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生交变电流的过程，这是理解整个交变电流知识的基础。（2）交变电流的变化规律，包括感应电动势、电流和电压的瞬时值表达式，以及从这些表达式中能获取的信息。（3）交变电流的图像特点，从图像中能读懂交变电流的各种参数。2、难点（1）对中性面概念的理解。为什么在磁通量最大的时候感应电动势为零，这和我们平常的直觉不太一样，需要同学们好