13交變電流電磁場和電磁波

1、第十三章交變電流電磁場和電磁波I交變電流I振蕩電流II正弦式電好電磁振蕩I無線電波I4電視和雷達匚接收和發(fā)射I振蕩電路I上高壓輸電變壓器第一節(jié) 正弦交流電的產生和變化規(guī)律一、交流電 交流電的產生1.交變電流的定義：都隨時間做 變化的電流叫交變電流。如圖所示。2.正弦交變電流：隨時間按 變化的交變電流叫做正弦交變電流。正弦交變電流的圖象3.交變電流的產生6 .交流發(fā)電機工作原理本幅是發(fā)電機的整個工作過程的分解圖.圖上訕匚地稅推B為電刷，L炳桐滑環(huán)n(1) 將一個平面線圈置于勻強磁場中，并使它繞 的軸勻速轉動時，線圈中產生正弦交變電流。(2) 中性面：與磁場方向 的平面叫中性面。中性面的特點： 線

2、圈轉到中性面位置時，穿過線圈的磁通量,但磁通量的變化率為感應電動勢為。 線圈轉動一周， 經過中性面 次， 線圈每經過中性面一次，電流的方向改變 次。二、交流電的變化規(guī)律1 .交變電流的變化規(guī)律方法L -L SCOS 己 te = N = NB = NBS = NBSsin ;.-：t.：t.：t.：t其最大值為：NBS3，記為Em,即：Em= NBS 3所以：e=EmSin w t可見，線圈在勻強磁場中勻速轉動時的電動勢最大值Em與線圈的成正比。與線圈的形狀 關。交流電的變化規(guī)律與線圈的形狀以及轉軸處于線圈平面內的哪個位置關。(填“有”或“無”)。分析線圈在磁場中轉動時，通過線圈的磁通量的變化

3、情況，有：= B S cos - BS cos，t = m cos，t磁通量按余弦變化，磁通量的變化率即& 按正弦變化。也就是數學上求導一次。感應電動勢(或電流)與磁通量的圖象關系如圖 2所示。(1) 當線圈在中性面8 =00,即垂直于磁感線時：(a) 線圈各邊都不切割磁感線，即感應電動勢、感應電流等于零。(b) 通過線圈的磁通量最大，但磁通量的變化率鱗/&為零。0(2) 當線圈跟中性面垂直 8= 90 ，即平行于磁感線時：(a) 感應電動勢、感應電流最大；(b) 磁通量為零，但磁通量的變化率泌/&最大。瞬時值表達式：e= Emsin w tU= Umsin 3 t,

4、i=I msin w t 其中3是附方法圖 13-1-3® 13-1-4l 2 v = r = ab邊的線速度：2ab邊產生的感應電動勢:l2BSeab = Bl 1v sin) = Bl 1 sin t = sin t22整個線圈產生的感應電動勢：曰 N 2如=NBS sin t5.表征交變電流的物理量有（1）瞬時值：交變電流某一時刻的值。瞬時值是時間的函數，不同時刻的瞬時值不同。最大值Em=NBS 3。它反應的是交變電流大小的變化。（3）有效值：交變電流的有效值是根據電流的 效應（填“化學”、“磁”或“熱”）來規(guī)定的，讓交流電和直流電通過相同阻值的電阻，如果它們在相同的時間內產生

5、的相等，就把這一直流電的數值，叫做該交變電流的有效值，用 （E、I、U）表示。對于正弦交流電, 其有效值與最大值的關系是：E= , U=, I=。（4）平均值（E ）:交變電流的平均值是交變電流圖象中波形與橫軸（t軸）所圍的面積跟時間的 昭E = n比值。其數值可用t來計算，當At取值較大時，求得的E就是這段時間內的平均值。若線圈從中性面開始運動，則在 t=T/4時間內，A© = BS ,故：nBS 4Em 4Em 2EmE = n =:t T / 4 T 2 二 二在計算通過導體的電荷量時，用平均值進行計算- E.點.點q = I ： t = ： t = n : t = n RRM

6、R （n是線圈 的匝數）由上面推導過程可知，只是在求某段時間通過導線橫截面的電量時用了平均電動勢，其它場合不能用。所以對平均電動勢的研究并無多大意義。各種使用交變電流的電器設備上所示值為;交流電表所測值為;計 算交變電流的功、功率、熱量等用。各種耐壓類用值比較。（5）周期和頻率：周期T:交變電流完成一次周期性變化所需要的時間。頻率f :在1s內完成周期性變化的次數。角速度：交變電流在1s內轉過的弧度f = 1= 2f =T ,T例1.表示交變電流隨時間變化圖象如圖3所示，則交變電流有效值為（）A. 2A B. 5A C. 3.2AD . 3"圖3例2.如圖所示為一交變電流的A.交變電

7、流的頻率為B.交變電流的有效值為C.交變電流平均值為圖4i t圖線，下列說法正確的是（50Hz,有效值為5. 5 A5、2 A10A25 . 10VD.若此交變電流通過阻值為10歐的電阻，則用電壓表測得這個電阻兩端的電壓為例3.交流發(fā)電機矩形線圈邊長ab=cd=40cm , bc=ad=20cm，共50匝，線圈電阻r =1Q ,線圈在B =0.2T的勻強磁場中，繞垂直磁場方向的軸100OO'以一r / s轉速勻速轉動，外接電阻4所示，求：電壓表讀數；電阻R上電功率。例4.多數同學家里都有調光臺燈、調速電風扇.調光、調速過去是用變壓器來實現的，成本高、 體積大、效率低，且不能任意調節(jié)燈的

8、亮度或電風扇的轉速?，F在的調光臺燈、調速電風扇是用可控 硅電子元件來實現的。如圖所示為經過一個雙向可控硅調節(jié)后加在電燈上的電壓。即在正弦交流電的 每一個二分之一周期中，前面四分之一周期被截去。調節(jié)臺燈上的旋鈕可以控制截去的多少，從而改 變電燈上的電壓。那么現在電燈上的電壓為多少？4例5.如圖所示是電子技術中用到的限幅電路。電池組的電動勢都為E,左端輸入的是正弦交變電流，電壓Ui的最大值為2E。試畫出右端輸出的電壓 U2的圖象，并說明理由（電池組及二極管的電阻忽略不計）。第二節(jié) 電感和電容對交變電流的影響一、電感對交變電流的阻礙作用實驗用 表示電感對交變電流的阻礙作用，其大小由線圈的 和交變電流

9、的定，線圈的自感系數越大，交變電流的頻率越高，感抗。X .其公式是：L2 fL,其單位：歐姆。通過電感的電流:Xl（對高頻交變電這種扼用“電慣性”來解釋2.低頻扼流線圈和高頻扼流圈低頻扼流圈：自感系數很大，即使是低頻交變電流通過它，都受到很大的阻礙作用流的阻礙作用就更大了 ），這種扼流圈：通直流，阻交流。高頻扼流圈：自感系數小，對低頻交變電流阻礙作用小，對高頻交變電流的阻礙作用大, 流圈：通低頻、阻高頻。二、交變電流能夠通過電容器-6V+l l-ln6V解釋：當電源電壓升高時，電容器充電，電荷向電容器的極板上集聚，形成充電電流；當電源 電壓降低時，電容器放電，電荷從電容器的極板上放出，形成放電

10、電流。如此交替，電路中就有了電 流。表示為交流“通過” 了電容器。2.電容器對交變電流的阻礙作用將剛才實驗電路中的電容器去掉，觀察燈泡的亮度，說明了什么道理？用容抗（Xc）表示電容對交變電流的阻礙作用的大小。電容器的電容越大、交流的頻率越高, 電容器對交流的阻礙作用就越,容抗就越。其公式是：Xcr 心單位：歐姆 T C通過電容的電流:UI =X C電容器具有：通交流，隔直流；通高頻，阻低頻的特點。當電容器接在交流電路中時，要求其額定電壓要高于它兩端交流電的最大電壓，否則電容器容易 被擊穿。例1.有一電阻極小的導線繞制成線圈接在交流電上，如果電源電壓峰值保持不變，比較下面哪種情況，通過線圈的電流

11、最?。ǎ〢. 所加電源頻率為50HzB. 所加電源頻率為100HzC. 所加電源頻率為 50Hz ,減少線圈匝數D. 在線圈中加入鐵芯，所加電源頻率為100Hz例2.交流電通過一段長直導線時電流強度為I,如果把這長直導線繞成線圈，再接入原電路，通過線圈的電流強度為1',則（）A. I ' > IB.I ' VIC.I ' = ID.無法比較例3.如圖所示為電子技術中常用的電路之一 “”表示低頻交流，“一”表示高頻交流，“一” 表示直流.則下列敘述中正確的是（后級輸入 -o 一T .一 inHT a 前級輸出A. 圖a中后級輸入只有交流成分B. 圖b中后級輸

12、入只有直流成分C. 圖c中后級輸入只有低頻交流成分D. 圖d中后級輸入只有高頻交流成分例4.如圖所示，給上圖 a輸以下圖所示電流，試畫出后級輸入得到的電流的圖形。1 .變壓器在原線圈上加交變電壓 Ui,原線圈中有交變電流，它在鐵芯中產生交變的磁通量。這個交變磁通 量既穿過原線圈，也穿過副線圈，分別在原、副線圈中引起感應電動勢。如果副線圈是閉合的，在副 線圈中就產生交變電流，這個交變電流也在鐵芯中產生交變的磁通量，在原、副線圈中同樣引起感應 電動勢。把原副線圈中由于有交變電流而發(fā)生的互相感應現象，叫做互感現象。互感現象是變壓器工作的 原理。變壓器由繞在閉合鐵心上的兩個線圈組成，如圖所示，兩組線圈

13、分別為原線圈和副線圈。鐵芯2.理想變壓器必須滿足下面四條件：(1) 無磁漏，即通過鐵心各處的磁通量都是相同的。(2) 線圈電阻不計，線圈無能量損耗。(3) 鐵心無電能損耗。(為減小鐵心中渦流，鐵心是由彼此絕緣薄硅鋼片受合而成。)（4）原、副線圈的電感 L T 8 ,當副線圈空載時，勵磁電流 Io很小，趨近于零。3.理想變壓器原與副線圈間電壓、電流的關系。根據以上理想變壓器四點假設，當變壓器工作時，原、副線圈中磁通 © 1 = * 2 ,感應電動勢 為Ei = uE2 = L t 'At由于線圈電阻= °，原、副線圈輸入、輸出電壓 Ui、U2滿足：U E1 , U 2

14、 = E2得到：Ui/U 2 = ni /n2 （特別注意，此公式成立的前提條件！注意感應電動勢不是電 壓！ ！ ！）在實際情況中Ui> Ei, U2 V E2。又理想變壓器無能量損耗，PA=PHi即 1 iU i = 1 2U 2得到：I/12 = n2/ ni自耦變壓器（降壓、升壓、變壓）互感器（電壓互感器、電流互感器）電壓互感器是用來測量（填“高壓”電路電壓的儀器，若電壓互感器的銘牌上標有 貝U電路電壓為。提醒：特別注意原、副線圈的匝數關系。電流互感器是用來測量 （填“強”流比：50”，而在某次測量中，電流表示數為或“低壓”）、 （填“交流”或“直流”“變壓比：50”，而在某次測量

15、中， 電壓表示數為220V,覽“弱”）電流的儀器。若電流互感器的銘牌上標有“變 22A,則電路電流為。例1 .如圖所示為電壓互感器或電流互感器的接線圖，試就每一接線圖的正確與否作出判斷，并說明理由。例2.鉗形電流表的外形和結構如圖（a）所示，圖（a）中電流表的讀數為1.2A，圖（b）中用同電纜線繞了 3匝，則（）(b)A.B.C.這種電流表能測直流電流，圖（ 這種電流表能測交流電流，圖（ 這種電流表能測交流電流，圖（b) b) b)的讀數為的讀數為的讀數為2.4A0.4A3.6AD.這種電流表既能測直流電流，又能測交流電流，圖（b）的讀數為3.6A變壓器除了有改變電壓、電流作用外，還有變換負載

16、阻抗作用，以實現阻抗匹配。線圈電流、如圖所示，負載電阻電壓是同相的,Ro接在副線圈上，圖中虛線部分可等效為電阻 副線圈上電流、電壓是同相的，有：R。對于理想變壓器而言，原Ro2/I2U 1 /U 2n1 / n2I1 / In2 / n1U1n1所以得到I1U n2nU 2n1I1n2n 2(一)Ron2由上可見，選取不同原、 阻抗匹配。副線圈匝數比，則可把負載電阻變換成所需要的合適的數值，此稱為6.變壓器原、副線圈間各物理量的支配關系（1）原線圈電壓Ui由提供原線圈電壓的電源決定。（不是由原線圈的感應電動勢決定！ ！ ?。?電源提供多大的電壓 Ui,原線圈就感應多大的感應電動勢！ ！ ?。?

17、）副線圈電壓U2由原線圈電壓Ui和匝數比決定，與副線圈接的用電器無關。（鐵定的關系！ ?。?）副線圈的電流由副線圈的電壓 U2和副線圈接的電器決定（I2= U2/R2,鐵定關系！ ?。?。（4）原線圈的功率（輸入功率）由副線圈（輸出功率）決定。（5）原線圈的電流由副線圈的電流決定，且滿足：輸入功率=輸出功率。（原線圈的電流Ii不能由：Ii= Ui/R 1決定，因為此時原線圈中既有電源Ui,也有感應電動勢Ei,相當于兩個電源，故其電流應為11 = （ Ui Ei） /Ri,但此式是無法確定的）。 變壓器空載時，無電流、無功率輸出，所以輸入功率也為零。 當副線圈短路時，I2無限大，Ii也無限大將燒

18、壞變壓器。例i 如圖所示，為一理想變壓器，S為單刀雙擲開關，P為滑動變阻器觸頭，Ui為加在原線圈兩端的電壓，Ii為原線圈中的電流，則以下說法錯誤的是（）A. 保持Ui及P的位置不變，S由a合到b時，Ii將增大B. 保持P的位置及Ui不變，S由b合到a時，R消耗的功率減小C. 保持Ui不變，S合在 也，使P上滑，11將增大D. 保持P的位置不變，S合在a處，若Ui增大，Ii將增大例2.一理想變壓器初、次級線圈匝數比為3: i,次級接三個相同的燈泡，均能正常發(fā)光，在初級線圈接一個相同的燈泡 L,如圖所示，則（）名師一號338頁A. 燈L也能正常發(fā)光B. 燈L比另三燈都暗C.燈L將會燒壞D .燈L時

19、亮時暗本題應該說明：接入燈 L后，調節(jié)ab間電壓，使次級三個燈泡均能正常發(fā)光。例3.如圖所示，利用一理想變壓器給一燈泡供電，在其他條件不變的情況下，若增加副線圈的匝數，則（)圖 13-2-5A. 電燈亮度變亮B. 原線圈的電流增強C. 燈泡兩端的電壓變小D. 輸入變壓器的電功率不變對于如圖所示的多個繞組的變壓器，通過ab、cd、e陵圈的磁通量相等嗎?副線圈為多個繞組的變壓器，有U 1nU 1n1U 2門2U 3n31 1U 1 = 1 2U 21 3U 3即:WiW2n3 1 3如下圖所示，為某變壓器鐵芯的示意圖，已知兩邊鐵芯相同，若 n=40, n2=20, ab兩端接入電壓 為200V的交

20、流電，貝U cd兩端輸出電壓為。例1 .如圖所示是家庭用“漏電保護器”關鍵部分的原理圖，繞組A由火線和零線雙股平行繞在變壓器鐵芯上，其左右分別與 220 V的交流電源和用電器相連，繞組 B是一個單股線圈，一旦 B線圈中有 感應電流，即可作出切斷交流電源的反應。下列哪種情況會自動切斷電源而起到保護作用（）A. 合上用電器開關，有較多的用電器同時工作時B. 斷開用電器開關，使用電器停止工作時C. 人裸腳站在地面上，手誤觸火線觸電時D. 人站在絕緣的物體上，一只手碰到火線，另一只手碰到零線觸電時例2 .原始的電話機將聽筒和話筒串聯成一個電路，當自己對著話筒講話時，會從聽筒中聽到自己的聲音，導致聽覺疲

21、勞而影響通話?，F代的電話將聽筒電路與話筒電路分開，改進的電路原理示意圖 如圖所示。圖中線圈I與線圈II匝數相等，Ro=1.2k Q, R=3. 6 k Q, Rx為可變電阻。當Rx調到某一值時, 從聽筒中就聽不到話筒傳出的聲音了，這時 Rx=。第四節(jié)電能的輸送1 .輸電線上的功率損失低壓遠距離大功率輸電面臨的困難是什么?例1 .如圖所示的輸電線路， a、b、c是三只功率較大的電爐，其中 a靠近電源，而b、c離用戶 電燈很近，離電源較遠。如果輸電線有一定電阻， 電源電壓恒定，則以下敘述符合實際情況的是 （ ） 名師269A.B.C.D.使用電爐使用電爐使用電爐使用電爐a時，對用戶電燈的影響最大b

22、比使用電爐a對用戶電燈影響大c時，對用戶電燈幾乎沒有影響c或b時，對用戶電燈的影響很大說明：名師一號中題目的圖是有問題的，應該畫出一些電爐。要減少輸電過程中功率的損失，有什么方法?一是減小輸電線的電阻。一是減小輸電導線中的電流。根據P =5可知，要減小I,就必須提高U,這就是要采用高壓輸電的道理。如圖所示是一個升壓變壓器，若直接把用電器接入高壓電路上，能起到減小I的目的嗎?如何達到減小I的目的呢?2. 遠距離輸電的電路圖Uiii=Pi=n2i2 尹 U3i=p4=u4i4思考：為什么在這個電路圖中，高壓電路中的電流要比前面電路圖中直接接入電阻時要小很多 呢？并且電壓升得越高，電流就越小呢？3.

23、 輸電線上的電壓損失如圖，U3等于U2嗎?U2與U3的差值就稱為輸電線路上的電壓損失，即:例題1 電站向某地輸送5000KW的電功率，輸電線上損失的電功率為100KW。如果輸送的電功率不變，把輸電電壓提高為原來的 10倍，同時將輸電導線的橫截面積為原來的一半。求輸電線上損失 的功率為多少？例2.遠距離輸電時，輸送電壓為6000V,功率為500kW。這時，安裝在輸電線路起點和終點的電能表一晝夜里讀數相差 4800kW h,則輸電效率為多大 ？俞電導線的電阻為多少 ？第五節(jié)電磁場和電磁波一、電磁振蕩1 .電磁振蕩的產生(1) 振蕩電流和振蕩電路：大小和方向都做的電流叫振蕩電流。能夠產生的電路叫振蕩

24、電路,是最簡單的振蕩電路。用示波器觀察振蕩電流可發(fā)現其形狀是, 實際上振蕩電流就是頻率很 (填“高”或“低”)的正弦電流。(2)LC回路中振蕩電流的產生過程:2.振蕩的周期和頻率電磁振蕩完成一次周期性變化所用的時間叫做電磁振蕩的周期。一秒內完成電磁振蕩的次數叫做電磁振蕩的頻率。對LC電路產生的電磁振蕩，其周期和頻率由本身性質決定。T =2云"i的正方例1 .如下圖甲所示的LC振蕩電路中，通過P點的電流變化規(guī)律如圖乙所示。圖中坐標 向表示P點的振蕩電流水平向右，貝U下列說法中正確的是（）1J1.5，-5|。0.5 W/2 況 gj甲 乙A. 0.5s至1s內，電容器正在充電B. 0.5

25、s至1s內，電容器的上極板帶正電C. 1s至1.5s內，Q點比P點的電勢高D. 1s至1.5s內，磁場能正轉變?yōu)殡妶瞿芏?、電磁場電磁? .麥克斯韋理論（1）變化的磁場產生電場均勻變化的磁場產生穩(wěn)定的電場，振蕩的（即周期性變化的）磁場產生同頻率的振蕩電場(2) 變化的電場產生磁場均勻變化的電場產生穩(wěn)定的磁場，振蕩的電場產生的振蕩磁場。一個靜止的電荷產生的電場是 電場。這個電荷一旦運動起來，電場就,就要產生。恒定電流產生的磁場是 磁場。2. 電磁場：變化電場在周圍空間產生,變化磁場在周圍空間產生,變化的電場和磁場成為一個完整的整體，這就是。(1)定義：交替產生的振蕩電場和振蕩磁場向周圍空間的傳播形成電磁波。(3) 特點 電磁波是 (填"橫波"或“縱波")。在電磁波中，每處的電場強度和磁感應強 度的方向總是,且與電磁波的傳播方向。 電磁波的傳播不需要介質，波速v取決于傳播介質，任何頻率的電磁波在真空中的傳播速度都等于真空中的光速c=3 X108 m/s。 電磁波的傳播速度等于波長和頻率的乘積，即：c=f入。也:;乙 X / 7 萬C第六節(jié)無線電波的發(fā)射和接收電視機雷達/振蕩器1. 無線