交變電流專題教案講義

第一模塊：交變電流的產(chǎn)生、描述『夯實(shí)基礎(chǔ)知識』1、交變電流的幾個(gè)基本問題（1）交變電流的意義①交變電流：大小和方向都隨時(shí)間作周期性變化的電流叫做交變電流，簡稱交流電。②正弦式電流；隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的電流叫做正弦式電流，正弦式電流的圖象是正弦曲線，我國市用的交變電流都是正弦式電流。（2）產(chǎn)生交變電流的基本原理交變電流的產(chǎn)生，一般都是借助于電磁感應(yīng)現(xiàn)象得以實(shí)現(xiàn)的。因此，可以說，產(chǎn)生交變電流的基本原理，就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中所遵循的規(guī)律——法拉第電磁感應(yīng)定律。（3）產(chǎn)生交變電流的基本方式簡單的一種基本方式——使線圈在勻強(qiáng)磁場中相對做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)而切割磁感線來產(chǎn)生交變電流。這幾乎是所有交流發(fā)電機(jī)的基本模型。（4）正弦式電流的產(chǎn)生①產(chǎn)生方法：如圖所示，將一個(gè)平面線圈置于勻強(qiáng)磁場中，并使它繞垂直于磁感線的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中就會產(chǎn)生正弦式電流。②中性面：中性面的特點(diǎn)是，線圈位于中性面時(shí)，穿過線圈的磁通量最大，磁通量的變化率為零，感應(yīng)電動(dòng)勢為零；線圈經(jīng)過中性面時(shí)，內(nèi)部的電流方向要發(fā)生改變。（3）交變電流的規(guī)律（以交變電動(dòng)勢為例）①函數(shù)形式：N匝面積為S的線圈以角速率ω轉(zhuǎn)動(dòng)，從某次經(jīng)過中性面開始計(jì)時(shí)，則e=NBSωsinωt，用Em表示峰值NBSω，則e=Emsinωt，電流。②圖象表示如圖所示二、表征交變電流的物理量1、周期和頻率交變電流的周期和頻率都是描述交變電流變化快慢的物理量。①周期T：交變電流完成一次周期性變化所需的時(shí)間，單位是秒（S），周期越大，交變電流變化越慢，在一個(gè)周期內(nèi)，交變電流的方向變化2次。②頻率f:交變電流在1s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，單位是赫茲，符號為Hz，頻率越大，交變電流變化越快。③關(guān)系：2、瞬時(shí)值、最大值、有效值和平均值（1）感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值表達(dá)式：若從中性面開始，感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式：（伏）。感應(yīng)電流瞬時(shí)值表達(dá)式：（安）若從線圈平面與磁力線平行開始計(jì)時(shí)，則感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值表達(dá)式為：（伏）。感應(yīng)電流瞬時(shí)值表達(dá)式：（安）在計(jì)算通電導(dǎo)體或線圈所受的安培力時(shí)，應(yīng)用瞬時(shí)值。（2）交變電流的最大值（以交變電動(dòng)勢為例）?！蛔冸妱?dòng)勢最大值：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到穿過線圈的磁通量為0的位置時(shí)，取得此值。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出的是，與線形狀無關(guān)，與轉(zhuǎn)軸位置無關(guān)，其表達(dá)式為。在考慮交流電路中電容器耐壓值時(shí)，應(yīng)采用最大值。（3）交變電流的有效值①有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的，在周期的整數(shù)倍時(shí)間內(nèi)（一般交變電流周期較短，如市電周期僅為0，02s，因而對于我們所考察的較長時(shí)間來說，基本上均可視為周期的整數(shù)倍），如果交變電流與某恒定電流流過相同電阻時(shí)其熱效應(yīng)相同，則將該恒定電流的數(shù)值叫做該交變電流的有效值。注意：這是在三個(gè)相同下的等效。②正弦交流電的有效值與最大值之間的關(guān)系為：。上述關(guān)系式只適用于線圈在勻強(qiáng)磁場中相對做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的正弦交變電流，對于用其他方式產(chǎn)生的其他交變電流，其有效值與最大值間的關(guān)系一般與此不同，其它形式的交流電按熱效應(yīng)相同進(jìn)行計(jì)算，利用分階段計(jì)算效變電流一個(gè)周期內(nèi)在某電阻上產(chǎn)生的熱量，然后令其與直流電在相同時(shí)間內(nèi)在同一電阻上產(chǎn)生的熱量相等，此時(shí)直流電的值為交變電流的有效值。這是根據(jù)有效值的定義作具體分析。③一般交變電流表直接測出的是交變電流的有效值，一般用電器銘牌上直接標(biāo)出的是交變電流的有效值，一般不作任何說明而指出的交變電流的數(shù)值都是指有效值?！侯}型解析』類型題：交流電圖象問題的分析方法【例題】一矩形線圈，繞垂直勻強(qiáng)磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢e隨時(shí)間t的變化如圖所示，下列說法中正確的是：（）A、t1時(shí)刻通過線圈的磁通量為零；B、t2時(shí)刻通過線圈的磁通量的絕對值最大；C、t3時(shí)刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大；D、每當(dāng)e改變方向時(shí)，通過線圈的磁通量的絕對值都為最大【例題】處在勻強(qiáng)磁場中的矩形線圈abcd,以恒定的角速度繞ab邊轉(zhuǎn)動(dòng),磁場方向平行于紙面并與ab垂直，在t=0時(shí)刻,線圈平面與紙面重合(如圖),線圈的cd邊離開紙面向外運(yùn)動(dòng)，若規(guī)定a→b→c→d→a方向的感應(yīng)電流為正,則能反映線圈中感應(yīng)電流I隨時(shí)間t變化的圖線是()【例題】如圖演示用的手搖發(fā)電機(jī)模型，勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ＝,線圈匝數(shù)N=50匝,每匝線圈面積為0.48m,轉(zhuǎn)速為150r/min。在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,從圖示位置線圈轉(zhuǎn)過90°開始計(jì)時(shí)。⑴寫出交流感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值的表達(dá)式。⑵畫出e-t圖線。類型題：關(guān)于交變電流幾個(gè)值的應(yīng)用1、交變電流的瞬時(shí)值【例題】有一正弦交流電源，電壓有效值U=120V，頻率為f=50Hz向一霓虹燈供電，若霓虹燈的激發(fā)電壓和熄滅電壓均為U0=60V，試估算在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，霓虹燈發(fā)光時(shí)間有多長為什么人眼不能感到這種忽明忽暗的現(xiàn)象（人的視覺暫留時(shí)間約1/16s）2、交變電流的最大值【例題】把一電容器C接在220V的交流電路中，為了保證電容不被擊穿，電容器C的耐壓值是多少★解析：不低于200V，不少學(xué)生往把電容器與燈泡類比，額定電壓220V的燈泡接在220V的交流電源上正常發(fā)光，從而錯(cuò)誤的認(rèn)為電容器的耐壓值也只要不低于220V即可，事實(shí)上，電容器接在交流電路中一直不斷地進(jìn)行充、放電過程，電容器兩極間電壓最大可達(dá)200V，故電容器C的耐壓值應(yīng)不低于200V，3、交變電流的有效值交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)規(guī)定的：讓交流和直流通過相同阻值的電阻，如果它們在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，就把這一直流的數(shù)值叫做這一交流的有效值?！纠}】如圖表示一交變電流的電流隨時(shí)間而變化的圖象，此交變電流的有效值：()A．5AB．5AC．5D．3.5A【例題】兩個(gè)完全相同的電熱器分別通以圖中（a）和(b)所示的電流最大值相等的正弦交變電流和方波交變電流，則這兩個(gè)電熱器的熱功率之比P甲：P乙=_______________?！纠}】左圖所示是某種型號的電熱毯的電路圖，電熱毯接在交變電源上，通過裝置P使加在電熱絲上的電壓的波形如右圖所示。此時(shí)接在電熱絲兩端的交流電壓表的讀數(shù)為A．110VB．156VC．220VD．311VPPuV12345ot/10-2su/V311【例題】交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有n匝線圈，每匝線圈所圍面積為S，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，線圈內(nèi)電阻為r，外電路電阻為R。當(dāng)線圈由圖中實(shí)線位置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)90°到達(dá)虛線位置過程中，求：⑴通過R的電荷量q為多少⑵R上產(chǎn)生電熱QR為多少⑶外力做的功W為多少4、交變電流的平均值交變電流的平均值是指交流電圖象中圖線與橫軸所圍成的面積值跟時(shí)間的比值。其量值可用法拉第電磁感應(yīng)定律·來求，特殊地，當(dāng)線圈從中性面轉(zhuǎn)過90度的過程中，有(根據(jù)前面的能證明出來)，計(jì)算平均值切忌用算術(shù)平均法即求解。平均值不等于有效值。【例題】如圖所示，線圈的電阻為R，求線圈由圖示位置轉(zhuǎn)過60°角的過程中，通過線圈某一橫截面的電量，第二模塊：變壓器『夯實(shí)基礎(chǔ)知識』1、是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理來改變交流電的電壓,變壓器工作的基礎(chǔ)為互感現(xiàn)象，2、理想變壓器的構(gòu)造、作用、原理及特征。構(gòu)造：兩組線圈（原、副線圈）繞在同一個(gè)閉合鐵心上構(gòu)成所謂的變壓器。作用：在輸送電能的過程中改變電壓。原理：其工作原理是利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。特征：正因?yàn)槭抢秒姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象來工作的，所以變壓器只能在輸送交變電流的電能過程中改變交流電壓。3、理想變壓器的理想化條件①理想變壓器的理想化條件一般指的是：忽略原、副線圈內(nèi)阻上的分壓，忽略原、副線圈磁通量的差別，忽略變壓器自身的能量損耗（實(shí)際上還忽略了變壓器原、副線圈電路的功率因素的差別）。②理想變壓器的規(guī)律實(shí)質(zhì)上就是法拉第電磁感應(yīng)定律和能的轉(zhuǎn)化與守恒定律在上述理想化條件下的新的表現(xiàn)形式。4、理想變壓器的基本關(guān)系式:變壓比:，電流關(guān)系:，若干副線圈時(shí):,;或5、各物理量的關(guān)系①原線圈電壓U1由提供原線圈電壓的電源決定，②輸入電壓決定輸出電壓，即隨著的變化而變化，因?yàn)椋灾灰蛔兓?，不論?fù)載如何變化，不變。③輸出電流決定輸入電流。在輸入電壓不變的情況下，不變。若負(fù)載電阻R增大，則由公式得：輸出電流減小，由=知輸入電流亦隨著減?。环粗?，若負(fù)載電阻R減小，則輸出電流增大，輸入電流亦隨著增大。④輸出功率決定輸入功率，理想變壓器的輸入功率和輸出功率相等，即=。在輸入電壓不變的情況下，不變。當(dāng)用電負(fù)荷增加，輸出功率增大，輸入功率也隨著增大；反之，當(dāng)用電負(fù)荷減小，則輸出功率減小，輸入功率也隨著減小。a，變壓器空載時(shí),無電流、無功率輸出,所以輸入功率也為零，b，當(dāng)副線圈短路時(shí),I2無限大,I1也無限大將燒壞變壓器，6、變壓器有二個(gè)副線圈的情況電壓與匝數(shù)間關(guān)系：電流與匝數(shù)間關(guān)系：功率關(guān)系：『題型解析』類型題：常規(guī)類(一原一副,“□”型鐵芯)【例題】如圖所示,理想變壓器原副線圈匝數(shù)比為n1:n2=4:1,原線圈回路中的電阻A與副線圈回路中的負(fù)載電阻B的阻值相等，a、b端加一定交變電壓后,兩電阻的電功率之比PA:PB=_______,兩電阻兩端電壓之比UA:UB=____________，1:161:4類型題：變壓器動(dòng)態(tài)問題【例題】如圖,為一理想變壓器,K為單刀雙擲開關(guān),P為滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭,U1為加在原線圈兩端的電壓,I1為原線圈中的電流強(qiáng)度,則:A，保持U1及P的位置不變,K由a合到b時(shí),I1將增大B，保持U1及P的位置不變,K由b合到a時(shí),R消耗的功率減小C，保持U1不變,K合在a處,使P上滑,I1將增大D，保持P的位置不變,K合在a處,若U1增大,I1將增大類型題：多個(gè)副線圈問題【例題】一臺理想變壓器原線圈匝數(shù)n1=1100匝,兩個(gè)副線圈的匝數(shù)分別是n2=60匝,n3=600匝,若通過兩副線圈中的電流強(qiáng)度分別是I2=1A,I3=4A,求原線圈中的電流強(qiáng)度，類型題：“”型鐵芯問題【例題】如圖所示為某變壓器對稱鐵芯的示意圖，已知此時(shí)原線圈端輸入交流電壓,原線圈匝數(shù)n1=22匝,副線圈匝數(shù)n2=6匝，則副線圈cd端輸出的電壓的有效值為(提示：根據(jù)鐵芯磁通路的對稱性可知,任何時(shí)刻原線圈中磁通量的變化率都是副線圈中的2倍)（）A，15VB，30VC，60VD，120V類型題：變壓器“變比”功能的延伸變壓器的實(shí)質(zhì)是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的互感原理來改變交流電壓和電流的。只要原線圈中的磁通量發(fā)生變化，副線圈中就能夠產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，因此變壓器雖然不能改變恒定的直流電，但可以改變大小變化的脈動(dòng)直流電?！纠}】一個(gè)脈動(dòng)電流，它的電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化圖象如圖1所示，它是正弦交流電流的正向部分。現(xiàn)讓它通過如圖2所示的一臺理想變壓器的原線圈，已知理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比。副線圈上接有阻值為的定值電阻R0，求：該電阻的電功率。第三模塊：遠(yuǎn)距離輸電『夯實(shí)基礎(chǔ)知識』(1)關(guān)鍵:減少電功率損失和電壓損失①功率損失：遠(yuǎn)距離輸送電能，由于輸電線上的電流熱效應(yīng)，電能轉(zhuǎn)化為熱能。出現(xiàn)功率損失。。②電壓損失：遠(yuǎn)距離輸送電能，線路中電阻R上消耗部分電壓。。(2)方法:a，減小輸電導(dǎo)線的電阻,如采用電阻率小的材料;加大導(dǎo)線的橫截面積，b，提高輸電電壓,減小輸電電流，(3)交流電遠(yuǎn)距離高壓輸電電路模式如圖所示，(4)遠(yuǎn)距離高壓輸電的幾個(gè)基本關(guān)系:①功率關(guān)系:,,②電流、電壓關(guān)系:輸電電流:③輸電導(dǎo)線上損耗的電功率:『題型解析』【例題】有條河流，流量Q=2m3/s，落差h=5m，現(xiàn)利用其發(fā)電，若發(fā)電機(jī)總效率為50%，輸出電壓為240V，輸電線總電阻R、235:11470第四模塊：電感和電容對交變電流的作用『夯實(shí)基礎(chǔ)知識』(1)電感對交變電流的阻礙作用①電感對直流的阻礙作用很小，所以是“通直流”，而對交流都有阻礙作用，所以“阻交流”；而交流頻率越高，電感阻礙作用越大，而對低頻阻礙作用較小，所以“通低頻，阻高頻”，②電感對交變電流的阻礙作用的大小，用感抗XL表示，XL=2fL（Ｌ為線圈的的自感系數(shù)）。③電感對交變電流有阻礙作用的原因：當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，在線圈中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，自感電動(dòng)勢總是阻礙線圈中電流的變化。④扼流圈有兩種：一種叫做低頻扼流圈，線圈的自感系數(shù)Ｌ很大，作用是“通直流，阻交流”；另一種叫高頻扼流圈，線圈的自感系數(shù)Ｌ很小，作用是“