高中物理競(jìng)賽輔導(dǎo)交流電

1、交流電§5。1、基 本 知 識(shí)511、交流電的產(chǎn)生及變化規(guī)律如圖5-1-1所示，矩形線(xiàn)圈abcd在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，閉合電路中產(chǎn)生交流電。 圖5-1-1如果從線(xiàn)圈轉(zhuǎn)過(guò)中性面的時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，那么線(xiàn)圈平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角為，如圖5-1-2所示線(xiàn)圈中產(chǎn)生的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律變化， 式，稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值。電路中的電流強(qiáng)度也按正弦規(guī)律變化， 式中，稱(chēng)為交流電流的最大值。外電路的電壓按正弦規(guī)律變化，式中，稱(chēng)為交流電壓的最大值。512、表征交流電的物理量（1）周期和頻率周期和頻率是表征交流電變化快慢的物理量。一對(duì)磁極交流發(fā)電機(jī)中的線(xiàn)圈在勻強(qiáng)場(chǎng)中圖5-1-2 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一

2、周，電流按正弦規(guī)律變化一周。我們把電流完成一次周期性變化所需的時(shí)間，叫做交流電的周期T，單位是秒。我們把交流電在1秒鐘內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，叫做交流電的頻率f，道位是赫茲。（2）最大值和有效值交流電流的最大值與交流電壓的最大值是交流電在一周期內(nèi)電流與電壓所能達(dá)到的最大值。交流電的最大值與可以分別表示交流電流的強(qiáng)弱與電壓的高低。交流電的有效值是根據(jù)電流熱效應(yīng)來(lái)規(guī)定的。讓交流電和直流電通過(guò)相同阻值的電阻，如果它們?cè)谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)相等，就把這一直流電的數(shù)值叫做這一交流電的有效值。通常用表示交流電源的有效值, 用I表示交流電流的有效值，用U表示交流電壓的有效值。正弦交流電的有效值與最大值之間

3、有如下的關(guān)系：當(dāng)知道了交流電的有效值，很容易求出交流電通過(guò)電阻產(chǎn)生的熱量。設(shè)交流電的有效值為I，電阻為R，則在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量。這跟直流電路中焦耳定律的形式完全圖5-1-3相同。由于交流電的有效值與最大值之間只相差一個(gè)倍數(shù)，所以計(jì)算交流電的有效值時(shí)，歐姆定律的形式不變。通常情況下所說(shuō)的交流電流或交流電壓是指有效值。 （3）相位和相差交流發(fā)電機(jī)中如果從線(xiàn)圈中性面重合的時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，交流電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值是。如果從線(xiàn)圈平面與中性面有一夾角時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，那么經(jīng)過(guò)時(shí)間t，線(xiàn)圈從線(xiàn)圈平面與中性面有一夾角是，如圖5-1-3所示，則交流電的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值是。從交流電瞬時(shí)值表達(dá)式可以看出，交流電瞬時(shí)值何時(shí)為零，何時(shí)

4、最大，不是簡(jiǎn)單地由時(shí)間t確定，而是由來(lái)確定。這個(gè)相當(dāng)于角度的量對(duì)于確定交流電的大小和方向起重要作用，稱(chēng)之為交流電的相位。是t=0時(shí)刻的相位，叫做初相位。在交流電中，相位這個(gè)物理量是用來(lái)比較兩個(gè)交流電的變化步調(diào)的。兩個(gè)交流電的相位之差叫做它們的相差，用表示。如果交流電的頻率相同，相差就等于初相位之差，即 ，這時(shí)相差是恒定的，不隨時(shí)間而改變。兩個(gè)頻率相同的交流電，它們變化的步調(diào)是否一致要由相差來(lái)決定。如果，這兩個(gè)交流電稱(chēng)做同相位；如果。，這兩個(gè)交流電稱(chēng)為反相位；若，我們說(shuō)交流電比相位超前，或說(shuō)交流電比相位落后。513、交流電的旋轉(zhuǎn)矢量表示法交流電的電流或電壓是正弦規(guī)律變化的。這一變化規(guī)律除了可以用

5、公式和圖像來(lái)表示外，還可以用一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量來(lái)表示。圖5-1-4是正弦交流電的旋轉(zhuǎn)矢量表示法與圖像表示法的對(duì)照?qǐng)D，左邊是旋轉(zhuǎn)矢量法，圖5-1-4右邊是圖像法。在交流電的旋轉(zhuǎn)矢量表示法中，OA為一旋轉(zhuǎn)矢量，旋轉(zhuǎn)矢量OA的大小表示交流電的最大值，旋轉(zhuǎn)矢量OA旋轉(zhuǎn)的角速度是交流電的角頻率，旋轉(zhuǎn)矢量OA與橫軸的夾角為交流電的相位，旋轉(zhuǎn)矢量OA在縱軸上的投影為交流電的瞬時(shí)值。交流電的旋轉(zhuǎn)矢量表示法使交流電的表達(dá)更加直觀(guān)簡(jiǎn)捷，并且也為交流電的運(yùn)算帶來(lái)極大的方便。 圖5-2-1 §5、2 交流電路521、交流電路（1）純電阻電路給電阻R加上一正弦交流電，如圖5-2-1所示，其電壓u為電流的瞬

6、時(shí)值I與U、R三者關(guān)系仍遵循歐姆定律。 圖5-2-2電流最大值，它們的有效值同樣也滿(mǎn)足在純電阻電路中，u、i變化步調(diào)是一致的，即它們是同相，圖5-2-2甲表示電流、電壓隨時(shí)間變化的步調(diào)一致特性。圖乙是用旋轉(zhuǎn)矢量法來(lái)表示純電阻電路電流與電壓相位關(guān)系。 （2）純電感電路純電感電路如圖5-2-3所示，自感線(xiàn)圈中產(chǎn)生自感電圖5-2-3 動(dòng)勢(shì)為，電路中電阻R可近似為零，由含源電路歐姆定律有，所以，自感電動(dòng)勢(shì)與外加電壓是反相的。 設(shè)電路中電流，自感電動(dòng)勢(shì)為由于很短，依三角關(guān)系展開(kāi)上式后，近似處理，則為圖5-2-4由得由上面可見(jiàn)：a.純電感電路中電壓電流關(guān)系: ，其中稱(chēng)為感抗（）滿(mǎn)足，其中，單位:

7、歐姆。 b.純電感電路中，圖5-2-4電壓、電流相位關(guān)系是，電壓超前電流，它們的圖像和矢量表示如圖5-2-5的甲、乙圖所示。 圖5-2-5(3)純電容電路圖5-2-6純電容電路如圖5-2-6所示，外加電壓u，電容器反復(fù)進(jìn)行充放電，設(shè)所加交變電壓，與前面推導(dǎo)方式相同， 時(shí)間很短，得到則電路中電流有效值為I 稱(chēng)為電容的容抗，單位是歐圖5-2-7姆。在純電容電路中電流與電壓的相位關(guān)系是:電流超前電壓，圖5-2-6甲、乙分別反應(yīng)電流、電壓隨時(shí)間的變化圖線(xiàn)和它們的矢量表示圖。522位移電流位移電流不是電荷定向移動(dòng)的電流。它引起的變化電場(chǎng)，極置于一種電流。為了形象地表明我移電流，可以把它看作是由

8、極板上電荷積累過(guò)程即形成的。1交流電能通過(guò)電容器，是由于電容器在充、放電的過(guò)程中，電容器極板上的電荷發(fā)生變化，引起電場(chǎng)的變化而形成的。連接電容器的導(dǎo)線(xiàn)中有傳導(dǎo)電流通過(guò)，而在電容器內(nèi)存在位移電流。2我移電流在產(chǎn)生磁場(chǎng)效應(yīng)上和傳導(dǎo)電流完全等效，因?yàn)槎叨级紩?huì)在周?chē)目臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)。3我移電流通過(guò)介質(zhì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。523、交流電路中的歐姆定律在交流電路中，電壓、電流的峰值或有效值之間關(guān)系和直流電路中的歐姆定律相似，其等式為或，式中I、U都是交流電的有效值，Z為阻抗，該式就是交流電路中的歐姆定律。（2）說(shuō)明由于電壓和電流隨元件不同而具有相位差，所以電壓和電流的有效值之間一般不是簡(jiǎn)單數(shù)量的比例關(guān)系。圖

9、5-2-8 a、在串聯(lián)電路中，如圖圖5-2-8所示，以R、L、C為例，總電壓不等于各段分電壓的和，。因?yàn)殡姼袃啥穗妷合辔怀半娏飨辔浑娙輧傻溲烹妷合辔宦浜箅娏飨辔弧Ｋ訰、L、C上的總電壓，決不是各個(gè)元件上的電壓的代數(shù)和而是矢量和。以純電阻而言，圖5-2-9  以純電感而言， 以純電容而言， 合成的總電壓。則圖5-2-10 ，得。而電壓和電流的相位差（圖5-2-9）。b、在并聯(lián)電路中，如圖5-2-10所示，以R、L、C為例，每個(gè)元件兩端的瞬時(shí)電壓都相等為U。每分路的電流和兩端電壓之間關(guān)系為 ， ， 。不同元件上電流的相位也各有差異。純電感上電流相位落后于純電阻電流

10、相位，純電容上電流相位超前純電阻電流相位。所以分電流的矢量和即總電流 令 得。524、交流電功率在交流電中電流、電壓隊(duì)隨時(shí)間而變，因此電流和電壓的乘積所表示的功率也將隨時(shí)間而變。跟交流電功率有關(guān)的概念有：瞬時(shí)功率、有功功率、視在功率（又叫做總功率）、無(wú)功功率、以及功率因素。a瞬時(shí)功率。由瞬時(shí)電流和電壓的乘積所表示的功率。，它隨時(shí)間而變。在任意電路中，與u之間存在相位差。在純電阻電路中，電流和電壓之間無(wú)相位差，即，瞬時(shí)功率。b有功功率。用電設(shè)備平均每單位時(shí)間內(nèi)所用的能量，或在一個(gè)周期內(nèi)所用能量和時(shí)間的比。在純電阻電路中，純電阻電路中有功功率和直流電路中的功率計(jì)算方法表示完全一致，電壓和電流都用有

11、效值來(lái)計(jì)算。在純電感電路中（電壓超前電流），在純電容電路中（電流超前電壓）， 以上說(shuō)明電感電路或電容電路中能量只能在電路中互換，即電容與電源、電感與電源之間交換能量，對(duì)外無(wú)能量交換，所以它們的有功功率為零。對(duì)于一般電路的平均功率 c視在功率（S）。在交流電路中，電流和電壓有效值的乘積叫做視在功率，即。它可用來(lái)表示用電器（發(fā)電機(jī)或變壓器）本身所容許的最大功率（即容量）。d無(wú)功功率（Q）。在交流電路中，電流、電壓的有效值與它們的相位差的正弦的乘積叫做無(wú)功功率，即。它和電路中實(shí)際消耗的功率無(wú)關(guān)，而只表示電容元件、電感元件和電源之間的能量交換的規(guī)模。圖5-2-11有功功率，無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系

12、，可用如圖5-2-11所示的所謂功率三角形來(lái)表示。e功率因數(shù)。發(fā)電機(jī)輸送給負(fù)載的有功功率和視在功率的比， 。為了提高電能的可利用程度，必須提高功率因數(shù)，或者說(shuō)減小相位差。525、渦流（1）定義或解釋塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中，或讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，金屬地內(nèi)有感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生，從而形成閉合回路，這時(shí)在金屬內(nèi)所產(chǎn)生的感生電流自成閉合回路，形成旋渦，所以叫做渦電流。“渦電流”簡(jiǎn)稱(chēng)渦流，又叫傅科電流。（2）說(shuō)明1渦流的大小和磁通量變化率成正比，磁場(chǎng)變化的頻率越高，導(dǎo)體里的渦流也越大。2在導(dǎo)體中渦流的大小和電阻有關(guān)，電阻越大渦流越小。為了減小渦流造成的熱損耗，電機(jī)和變壓器的鐵芯常采用多層彼此絕緣的硅鋼片迭加而成

13、（材料采用硅鋼以增加電阻）。渦流也有可利用的一面。高頻感應(yīng)爐就是利用渦流作為自身加熱用，感應(yīng)加熱，溫度控制方便，熱效率高，加熱速度快，在生產(chǎn)生已用作金屬的冶煉。在生活上也已被用來(lái)加熱食品。渦流在儀表上也得到運(yùn)用。如電磁阻尼，在磁電式測(cè)量?jī)x表中，常把使指針偏轉(zhuǎn)的線(xiàn)圈繞在閉合鋁框上，當(dāng)測(cè)量電流流過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，鋁框隨線(xiàn)圈指針一起在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)鋁框內(nèi)產(chǎn)生的渦流將受到磁場(chǎng)作用力，抑止指針的擺動(dòng)，使指針較快地穩(wěn)定在指示位置上。526、自感由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象員做自感現(xiàn)象。導(dǎo)體回路由于自感現(xiàn)象產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)叫做自感電動(dòng)勢(shì)，自感電動(dòng)勢(shì)的大小和電流的變化率成正比，。這是由于電流變化引起了

14、回來(lái)中磁通量變化的緣故。式中比例常數(shù)L叫做自感系數(shù)。（2）單位在國(guó)際單位制中，自感系數(shù)的單位是亨利。（3）說(shuō)明自感是導(dǎo)體本身阻礙電流變化的一制屬性。對(duì)于一個(gè)線(xiàn)圈來(lái)說(shuō)，自感系數(shù)的大小取決于線(xiàn)圈的匝數(shù)，直徑、長(zhǎng)度以及曲線(xiàn)芯材料等性質(zhì)。在線(xiàn)圈直徑遠(yuǎn)較線(xiàn)圈長(zhǎng)度為小時(shí)，則（是圈線(xiàn)芯材料的導(dǎo)磁率，是線(xiàn)圈長(zhǎng)度，N是線(xiàn)圈匝數(shù)，S是線(xiàn)圈橫截面積）。自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是當(dāng)線(xiàn)圈中電流發(fā)生變化時(shí)，該線(xiàn)圈中將引起磁通量變化，從而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。因此，自感電動(dòng)勢(shì)的方向也可由楞次定律確定。當(dāng)電流減小時(shí)，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量也將減小，這時(shí)自感電動(dòng)勢(shì)的方向應(yīng)和正在減小的電流方向一致，以障礙原電流的減小。同理，當(dāng)線(xiàn)圈中電流增大時(shí)，則

15、穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量也隨著增大，因而有時(shí)將導(dǎo)體的自感現(xiàn)象與慣性現(xiàn)象作類(lèi)比，它們都表現(xiàn)為對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的障礙，所以自感現(xiàn)象又叫做電磁慣性現(xiàn)象。自感系數(shù)又叫做電磁慣量。這也可在能量關(guān)系上作一類(lèi)比，電場(chǎng)能的公式為，那儲(chǔ)藏在磁場(chǎng)里的能量公式為，因而L與C（電容）相當(dāng)，I與U（電壓）相當(dāng)，自感系數(shù)L又可叫做電磁容量。但須注意，在線(xiàn)圈中被自感而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)所障礙的是電流的變化，而不是阻礙電流本身。所以線(xiàn)圈中電流變化率越大則線(xiàn)圈兩端阻礙電流變化的感生電動(dòng)勢(shì)值也越大。與電流的大小無(wú)直接關(guān)系。自感現(xiàn)象也可從能量守恒觀(guān)點(diǎn)來(lái)解釋。在自感電路里，接通直流電源，電流逐漸增加，在線(xiàn)圈內(nèi)穿過(guò)的磁通量也逐漸增大，建立起磁場(chǎng)。在電流

16、達(dá)到最大值前電源供給的能量將分成兩部分，一部分消耗在線(xiàn)路的電阻上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；另一部分克服自感電?dòng)勢(shì)做功，轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能。如果線(xiàn)路上熱能損耗很小，可以忽略不計(jì)，那么在電流達(dá)到最大值前，電源供應(yīng)的能量將全部轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能。當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，磁場(chǎng)能也達(dá)到最大。當(dāng)電流達(dá)到最大值穩(wěn)定時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)不再存在，電源不再供給電能。自感系數(shù)不僅和線(xiàn)圈的幾何形狀以及密繞程度有關(guān)，而且還和線(xiàn)圈中放置鐵芯或磁芯的性質(zhì)有關(guān)，如果空心線(xiàn)圈的自感系數(shù)為，放置磁芯后，線(xiàn)圈的自感系數(shù)將增大倍，即，式中為磁芯的有效導(dǎo)磁率，它和磁芯材料的的相對(duì)導(dǎo)磁率有內(nèi)在的聯(lián)系。閉合的環(huán)形磁芯和數(shù)值相等。它們還和導(dǎo)體中工作電流的大小有關(guān)。和也有所區(qū)

17、別。至于的大小還與磁芯材料的粗細(xì)、長(zhǎng)短等幾何形狀有關(guān)，例如，對(duì)棒形鐵芯或包含有空氣隙的環(huán)形磁芯來(lái)說(shuō)，。用的錳鋅鐵氧體材料制作的天線(xiàn)磁棒，其常常不到10。527、互感由于電路中電流的變化，而引起鄰近另一電路中產(chǎn)生感電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。導(dǎo)體由于互感現(xiàn)象，在次級(jí)線(xiàn)圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。感生電動(dòng)勢(shì)的大小和初級(jí)線(xiàn)圈中電流的變化率成正比，。式中的比例常數(shù)叫做互感系數(shù)。（2）單位在國(guó)際單位制中，互感系數(shù)的單位是亨利。（3）說(shuō)明互感系數(shù)的大小和初、次級(jí)線(xiàn)圈的自感系數(shù)有關(guān)。當(dāng)兩個(gè)自感系數(shù)分別為L(zhǎng)1和L2的線(xiàn)圈有閉合鐵芯相連，而且初、次級(jí)線(xiàn)圈又耦合得十分緊密的情況下，即可看作是一種理想耦合。在理想耦合時(shí)互感系

18、數(shù)。在一般情況下，兩線(xiàn)圈之間不一定有鐵芯相連，它們之間的磁耦合并不很緊密，其中某線(xiàn)圈中電流所激發(fā)的磁通量不全部通過(guò)另一線(xiàn)圈時(shí)，那么，k為耦合系數(shù)，它的物理意義是表示為磁耦緊密程度。K值和兩線(xiàn)圈或回路的相對(duì)位置以及和周?chē)慕橘|(zhì)材料有關(guān)。對(duì)于k值的選取，由實(shí)際需要而定。如果要減小互感干擾，則選取較小的耦合系數(shù)；如果要加強(qiáng)互感，則選取較大的耦合系數(shù)。528、三相交流電三相交流電發(fā)電機(jī)原理如圖5-2-1所示，其中AX、BY、CZ三組完全相同的線(xiàn)圈，它們排列在圓周上位置彼此差120。角度，當(dāng)磁鐵以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)線(xiàn)圈中都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變電動(dòng)勢(shì)，它們位相彼此為，因而有圖5-2-8（1）星形（Y型）連接

19、的三相交流電源如圖5-2-8所示，三相中每個(gè)線(xiàn)圈的頭A、B、C分別引出三條線(xiàn)，稱(chēng)為端線(xiàn)（火線(xiàn)），而每相線(xiàn)圈尾X、Y、Z連接在一起，引出一條線(xiàn)，此線(xiàn)稱(chēng)為中線(xiàn)。因?yàn)榭偣步映鏊母鶎?dǎo)線(xiàn)，所以連接后的電源稱(chēng)為三相四線(xiàn)制。三相電源中，每相線(xiàn)圈中電流為相電流，端線(xiàn)中的電流為相電流，端線(xiàn)中的電流為線(xiàn)電流，每個(gè)線(xiàn)圈中電壓為相電壓，任意兩條端線(xiàn)的電壓為線(xiàn)電壓。則線(xiàn)電壓與相電壓關(guān)系圖5-2-9 所以相對(duì)有效值而言，有同理有：而星形連接后，相電流與線(xiàn)電流大小是一樣的，即：圖5-2-10 （2）三角形（形）連接的三相電源如圖5-2-9所示，它構(gòu)成三相三線(xiàn)制電路。由圖可知，在此情形下線(xiàn)電壓等于相電壓，但線(xiàn)電流與

20、相電流是不相等的，若連接負(fù)載在對(duì)稱(chēng)平衡條件下，所以有：（3）三相交流電負(fù)載的星形和三角形連接如圖5-2-10甲、乙所示，星形連接時(shí)，有，電流關(guān)系：若三相負(fù)載平衡。即，則有：，中線(xiàn)可省去，改為三相三線(xiàn)制。三相負(fù)載的三角形連接時(shí)，而負(fù)載上電流與線(xiàn)電流不等，當(dāng)三相平衡時(shí)，線(xiàn)電流是相電流的倍。§5、3電磁振蕩與電磁波531、電磁振蕩 圖5-3-1電路中電容器極板上的電荷和電路中的電流及它們相聯(lián)系的電場(chǎng)和磁場(chǎng)作周期性變化的現(xiàn)象，叫做電磁振蕩。在電磁振蕩過(guò)程中所產(chǎn)生的強(qiáng)度和方向周期性變化的電流稱(chēng)為振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。最簡(jiǎn)單的振蕩電路，是由一個(gè)電感線(xiàn)圈和一個(gè)電容器組成的LC電

21、路，如圖5-3-1所示。在電磁振蕩中，如果沒(méi)有能量損失，振蕩應(yīng)該永遠(yuǎn)持續(xù)下去，電路中振蕩電流的振幅應(yīng)該永遠(yuǎn)保持不變，這種振蕩叫做自由振蕩或等幅振蕩。但是，由于任何電路都有電阻，有一部分能量要轉(zhuǎn)變成熱，還有一部分能量要輻射到周?chē)臻g中去，這樣振蕩電路中的能量要逐漸減小，直到最后停止下來(lái)。這種振蕩叫做阻尼振蕩或減幅振蕩。電磁振蕩完成一次周期性變化時(shí)需要的時(shí)間叫做周期。一秒鐘內(nèi)完成的周期性變化的次數(shù)叫做頻率。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時(shí)，如果沒(méi)有能量損失，也不受其它外界的影響，即電路中發(fā)生自由振蕩時(shí)的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有周期和固有頻率。LC回路的周期T和頻率f跟自感系數(shù)L和電容C的關(guān)系是：。5

22、32、電磁場(chǎng)任何變化的電場(chǎng)都要在周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)，任何變化的磁場(chǎng)都要在周?chē)臻g產(chǎn)生電場(chǎng)。變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一的場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)。麥克斯韋理論是描述電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。變化的磁場(chǎng)在周?chē)臻g激發(fā)的電場(chǎng)，其電場(chǎng)呈渦旋狀，這種電場(chǎng)叫做渦旋電場(chǎng)。渦旋電場(chǎng)與靜電場(chǎng)一樣對(duì)電荷有力的作用；但渦旋電場(chǎng)又與靜電場(chǎng)不同，它不是靜電荷產(chǎn)生的，它的電場(chǎng)線(xiàn)是閉合的，在渦旋電場(chǎng)中移動(dòng)電荷時(shí)電場(chǎng)力做的功與路徑有關(guān)，因此不能引用“電勢(shì)”、“電勢(shì)能”等概念。當(dāng)導(dǎo)體作切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的自由電子將受到洛侖茲力而在導(dǎo)體中定向移動(dòng)，使這段導(dǎo)體兩端分別積累正、負(fù)電荷，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種感應(yīng)電動(dòng)

23、勢(shì)又叫做動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。 圖5-4-1它的計(jì)算公式為當(dāng)穿過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)（保持回路面積不變），變化的磁場(chǎng)周?chē)臻g產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，導(dǎo)體中的自由電子在該電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)形成電流，這樣產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又叫感生電動(dòng)勢(shì)。它的計(jì)算公式為圖5-4-2533、電磁波如果空間某處產(chǎn)生了振蕩電場(chǎng)，在周?chē)目臻g就要產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng)，這個(gè)振蕩磁場(chǎng)又要在較遠(yuǎn)的空間產(chǎn)生新的振蕩電場(chǎng)，接著又要在更遠(yuǎn)的空間產(chǎn)生新的振蕩磁場(chǎng)，這樣交替產(chǎn)生的電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地傳播就是電磁波。電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向彼此垂直，并且跟傳播方向垂直，所以電磁波是橫波。電磁波不同于機(jī)械波，機(jī)械波要靠介質(zhì)傳播，而電磁波它可以在真空中傳播。電磁

24、波在真空中的傳播速度等于光在真空個(gè)的傳播速度米/秒。電磁波在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)傳播的距離叫電磁波的波長(zhǎng)。電磁波在真空中的波長(zhǎng)為：電磁波可以脫離電荷獨(dú)立存在，電磁波具有能量，它是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)。圖5-4-3§5、4 整流和濾波541、整流把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程叫做整流，通常是利用二極管的單位導(dǎo)電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)整流目的，一般的整流方式為半波整流、全波整流、橋式整流。（1）半波整流如圖5-4-1所示電路為半波整流電路，B是電源變壓器，D是二極管，R是負(fù)載。當(dāng)變壓器輸出正弦交流時(shí)，波形如圖5-4-2甲所示，當(dāng)0時(shí)，二極管D正向?qū)D5-4-4通，設(shè)正向電阻為零，則。當(dāng)0時(shí)，在交流負(fù)半周期，二極

25、管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，所以R上無(wú)電流，變化如圖5-4-2所示?？梢?jiàn)R上電壓是單方向的，而強(qiáng)度是隨時(shí)間變化的，稱(chēng)為脈動(dòng)直流電。 圖5-4-5（2）全波整流全波整流是用二個(gè)二極管、分別完成的半波整流實(shí)現(xiàn)全波整流，如圖5-4-3所示，O為變壓器中央抽頭，當(dāng)0時(shí)，導(dǎo)通，截止，當(dāng)0時(shí)截止，導(dǎo)通，所以R上總是有從上向下的單向電流，如圖5-4-4所示。（3）橋式整流橋式整流電路如圖5-4-5所示，當(dāng)0時(shí)， 、圖5-4-6處于導(dǎo)通狀態(tài)，、處于反向截止，而當(dāng)0時(shí)，、處于導(dǎo)通，、反向截止，流經(jīng)R的電流總是從上向下的脈動(dòng)直流電，它與全波整流波形相似。所不同的是，全波整流時(shí)，二極管截止時(shí)承受反向電壓的最大值為，而橋式整

26、流二極管截止時(shí)，每一個(gè)承受最大反向電壓為。542、濾波圖5-4-7 交流電經(jīng)整流后成為脈動(dòng)直流電，其電流強(qiáng)度大小仍隨時(shí)間變化。為了使脈動(dòng)電流為比較平穩(wěn)的直流，需將其中脈動(dòng)成份濾去，這一過(guò)程稱(chēng)為濾波。濾波電路常見(jiàn)的是電容濾波、電感濾波和型濾波。圖5-4-6為電容濾波電路，電解電容C并聯(lián)圖5-4-8在負(fù)載R兩端。由于脈動(dòng)直流可看作是穩(wěn)恒直流和幾個(gè)交流電成份疊加而成，因而電容器的隔直流通交流的性質(zhì)能讓脈動(dòng)直流中的大部分分交流中的大部分流成份通過(guò)電容器而濾去。使得R上獲得比較平穩(wěn)的直流電，如圖5-4-7所示。電感線(xiàn)圈具有通直流阻交流的作用，也可以作為濾波元件，如圖5-4-8所示電路中L與R串

27、聯(lián)，電壓交流成份的大部分降在電感線(xiàn)圈上，而L的電阻很小，電壓的直流成份則大部分降在負(fù)載電阻上，因此R上電壓、電流都平穩(wěn)就多，圖5-4-9所示。把電容和電感組合起來(lái)，則可以組成濾波效果更好的型濾波器，如圖5-4-9所示。 §5、5 例題1、氖燈接入頻率、電壓為120V的交流電路中共10分鐘，若氖燈點(diǎn)燃和熄 圖5-4-9 滅電壓，試求氖燈的發(fā)光時(shí)間。分析: 氖燈發(fā)光時(shí)電壓應(yīng)為瞬時(shí)值，而接入交流電電壓120V是為有效值。所以要使氖燈發(fā)光，須使交流電電壓瞬時(shí)值。解: 氖燈管兩端電壓瞬時(shí)值為圖5-4-9 其中，由于交流電周期性特點(diǎn)，如圖5-4-10所示，在半個(gè)周期內(nèi)氖燈發(fā)光

28、時(shí)間，則有：燈點(diǎn)熄和熄滅時(shí)刻，有圖5-4-10120=120圖5-4-11則在0時(shí)間內(nèi)，有在一個(gè)周期T內(nèi)，氖燈發(fā)光時(shí)間所以在10分鐘時(shí)間內(nèi)，氖燈發(fā)光時(shí)間應(yīng)占通電時(shí)間的一半為5分鐘。2、三相交流電的相電壓為220V，負(fù)載是不對(duì)稱(chēng)的純電阻，連接如圖5-4-11所示，試求：（1）中線(xiàn)電流。（2）線(xiàn)電壓。分析: 有中線(xiàn)時(shí)，三相交流三個(gè)相變電壓的相位彼此差，振幅相同，因負(fù)載為純電阻，三個(gè)線(xiàn)電流的相位也應(yīng)彼此相差，因負(fù)載不對(duì)稱(chēng)，三個(gè)線(xiàn)電流振幅不同，但始終有。解: （1）有中線(xiàn)時(shí)，三個(gè)相電壓，彼此相差為，表達(dá)式為圖5-4-12三個(gè)線(xiàn)電流、為：，則有中線(xiàn)電流得： 所以中線(xiàn)電流。（2）線(xiàn)電壓、應(yīng)振幅相等，最大值

29、皆為，有效值為380V，彼此相差為。3、如圖5-4-12所示的電路中，三個(gè)交流電表的示數(shù)都相同，電阻器的阻值都是100，求電感線(xiàn)圈L和電容C的大小。分析: 、表讀數(shù)為電流的有效值，而通過(guò)電表的瞬時(shí)電流應(yīng)滿(mǎn)足：借助于電流旋轉(zhuǎn)矢量關(guān)系可求解：解: 由電流關(guān)系有又三個(gè)電表讀數(shù)相等，由（1）推知，對(duì)應(yīng)電流旋轉(zhuǎn)矢量關(guān)系是 且， 由電路結(jié)構(gòu)可知，超前，滯后于且相位差都小于，由此超前于，且超前量，注意，所以合矢量為， ， 又：（并聯(lián)關(guān)系） 所以有 電流與端電壓間相位差有圖5-4-13所以有 代入（3）式得：4、某用電區(qū)總功率表的讀數(shù)和總電流表的讀數(shù)常常是16kW和90A左右，原因是電感性負(fù)載增大，總電流相位

30、比總電壓相位落后較多造成的，導(dǎo)致功率因素過(guò)低，于是在該用電區(qū)輸入端并聯(lián)一只電容，結(jié)果使該電路的功率因素提高到了0.9，試問(wèn)并聯(lián)這一電容規(guī)格如何？分析: 對(duì)于一個(gè)交流電路，電路的有功功率為，為電流與電壓相差，則稱(chēng)為電路的功率因素，由于電路中感性元件較多，因而電流總比電壓落后較大相為，如圖5-4-13所示，并聯(lián)電容C后，電容器支路電流超前電壓，使干路電流與U落后相差減小，從而提高功率因素。解: 原來(lái)的有功功率，所以功率因素圖5-4-14設(shè)并聯(lián)電容C，相應(yīng)旋轉(zhuǎn)矢量由圖5-4-14可得 ，代入得 圖5-4-15取電容器耐壓值為350V，所以應(yīng)在輸入端并聯(lián)、350V的電容器。5、如圖5-4-15所示電路

31、中，輸入電壓，直流電源電動(dòng)勢(shì)。圖5-4-16（1）求的波形；（2）將D反接后，又當(dāng)如何？分析: 電阻與電源串聯(lián)，有分壓作用，二極管與電源串聯(lián)后，跨接在輸出端，與負(fù)載形成并聯(lián)關(guān)系，這樣的連接特點(diǎn)使電路具有削減波幅的功能。解 （1）時(shí)，電勢(shì)，D處于反向截止，ab相當(dāng)于斷路，>時(shí)，電勢(shì)，D處于正向?qū)顟B(tài)，ab間相當(dāng)于短路，輸出電壓的頂部（）被削去，如圖5-4-16所示。 圖5-4-18圖5-4-17（2）當(dāng)D反接時(shí)，如圖5-4-17所示，當(dāng)時(shí)，D截止，；當(dāng)時(shí)，D被導(dǎo)通，ui低于的部分全部被削去，輸出波形成為底部在處的正脈動(dòng)電壓，如圖5-4-18所示。6、如圖5-4-19所示電路中，電源內(nèi)阻可

32、略，電動(dòng)勢(shì)都是30V，。將K依次接“1”和“2”時(shí)，各電阻上的電流強(qiáng)度是多少？?jī)牲c(diǎn)誰(shuí)的電勢(shì)高？圖5-4-19分析 一般情況下，我們總是認(rèn)為二極管為理想情形，正向?qū)〞r(shí)，反向截止時(shí)，為斷路。解 （1）K接1時(shí)，靠直流電源供電，此時(shí)導(dǎo)通，截止。有（2）K接“2”時(shí)，交流電源供電，、交替的導(dǎo)通和截止，設(shè)圖5-4-20，如圖5-4-20所示。在正半周期，導(dǎo)通，通過(guò)電流在負(fù)半周期，導(dǎo)通，截止，通過(guò)的電流由于始終有電流通過(guò)，所以、的電流如圖5-4-21甲、乙、丙所示。的電流有效值圖5-4-21只有在半個(gè)周半個(gè)周期內(nèi)通電流，所以可求得其有效值。在正半周期 在負(fù)半周期 =所以d、c兩點(diǎn)間總有7、如果回旋加速器的高頻電源是一個(gè)LC振蕩器，加速器的磁感強(qiáng)度為B。被加速的帶電粒子質(zhì)量m、帶電量為q，那么LC振蕩電路中電感L和電容C的乘積LC為何值？分析: 帶電粒子子回旋周期加速器中旋轉(zhuǎn)一周兩次通過(guò)狹縫被加速，所以應(yīng)使粒子在磁場(chǎng)中回旋周期與高頻電源周期相等。解: 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)周期回旋加速器兩個(gè)D型盒上所接高頻電源是一個(gè)LC振蕩器，其振蕩周期滿(mǎn)足帶電粒子每