《交變電流的描述》講義

《交變電流的描述》講義第三章交變電流的產(chǎn)生與輸送3.2交變電流的描述一、交變電流的概念同學(xué)們，咱們先來說說啥是交變電流呢？交變電流啊，就是大小和方向都隨時間做周期性變化的電流。就好比咱們?nèi)粘Ｉ钪械碾?，它可不是一直穩(wěn)定不變的，而是一會兒這樣，一會兒那樣，像個調(diào)皮的小精靈一樣變來變?nèi)ツ?。比如說，咱們家里用的電，它的電流大小和方向就在不斷地變化。那為啥會這樣呢？這就得從發(fā)電的原理說起了。咱們都知道發(fā)電廠有發(fā)電機，發(fā)電機轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，就產(chǎn)生了交變電流。這就像你騎自行車，腳蹬子不停地轉(zhuǎn)，帶動車輪轉(zhuǎn)，這個過程就有點像發(fā)電機產(chǎn)生交變電流的過程呢。（一）正弦式交變電流1、定義正弦式交變電流是一種特殊的交變電流，它的電流（或者電壓、電動勢）隨時間按照正弦函數(shù)的規(guī)律變化。啥是正弦函數(shù)呢？咱們數(shù)學(xué)里學(xué)過，就像波浪一樣，一會兒高一會兒低，而且是很有規(guī)律地變化。這種交變電流在實際生活中應(yīng)用可廣泛了。2、產(chǎn)生那正弦式交變電流是怎么產(chǎn)生的呢？這就和咱們前面提到的發(fā)電機有關(guān)了。發(fā)電機里有線圈，當這個線圈在磁場里轉(zhuǎn)動的時候啊，就會產(chǎn)生正弦式交變電流。這就好比你拿著一個小棍在水里攪和，水就會產(chǎn)生一圈一圈的波紋，這個波紋就有點像正弦式交變電流的變化規(guī)律。二、交變電流的描述（一）周期和頻率1、周期周期就是交變電流完成一次周期性變化所需要的時間，咱們用字母T來表示。比如說，你看那個時鐘，秒針轉(zhuǎn)一圈是60秒，這60秒就是秒針轉(zhuǎn)動的周期。對于交變電流來說，它的周期也是這樣一個概念，就是它完成一次完整的變化所需要的時間。我給大家講個我自己的經(jīng)歷啊。我曾經(jīng)觀察過一個小風(fēng)扇，這個小風(fēng)扇的電機用的就是交變電流。我發(fā)現(xiàn)這個小風(fēng)扇的扇葉轉(zhuǎn)動好像是有一定規(guī)律的，轉(zhuǎn)一會兒就又回到原來的樣子，然后又開始新的一輪轉(zhuǎn)動。這就和交變電流的周期有點像，扇葉轉(zhuǎn)動一圈的時間就有點像交變電流的周期。2、頻率頻率呢，就是單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，用字母f表示。頻率和周期是有關(guān)系的，它們的關(guān)系是f=1/T。這就好比你跑步，你跑一圈的時間是T，那你單位時間內(nèi)跑的圈數(shù)就是頻率f。比如說，如果一個交變電流的周期是0.02秒，那它的頻率就是f=1/0.02=50Hz。咱們國家電網(wǎng)提供的交流電頻率就是50Hz呢。這50Hz有啥意義呢？就像我們?nèi)撕粑粯樱幸粋€合適的頻率，電也有它合適的頻率，這樣才能保證我們的電器正常工作。（二）峰值和有效值1、峰值峰值就是交變電流在一個周期內(nèi)所能達到的最大值。對于正弦式交變電流來說，電流的峰值用I?表示，電壓的峰值用U?表示。就好比爬山，你爬到山頂?shù)臅r候，那就是你這次爬山的最高位置，這個最高位置就相當于交變電流的峰值。我記得有一次我去爬山，爬到山頂?shù)臅r候特別興奮，因為那是我在這次爬山過程中到達的最高的地方。這就和交變電流的峰值是一樣的，它是在整個變化過程中能夠達到的最大值。2、有效值有效值可就有點復(fù)雜了。有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來定義的。簡單來說，如果讓一個直流電和一個交變電流分別通過相同的電阻，如果在相同的時間內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等，那么這個直流電的數(shù)值就叫做這個交變電流的有效值。比如說，我們家里的用電器上標的電壓220V就是有效值。這就好比兩個人干活，一個人是一直穩(wěn)定地干活，另一個人是一會兒干得多一會兒干得少，但是最后干出來的活的總量是一樣的，那這個一直穩(wěn)定干活的人的工作量就相當于交變電流的有效值。三、交變電流的圖像（一）正弦式交變電流圖像的特點正弦式交變電流的圖像就像我們前面說的正弦函數(shù)的圖像一樣，是一個波浪形狀的。它的橫軸表示時間，縱軸可以表示電流、電壓或者電動勢。從圖像上我們可以很直觀地看到交變電流的周期、峰值等信息。我給大家舉個例子啊。就像我們看天氣預(yù)報的氣溫變化圖一樣，橫軸是時間，縱軸是溫度。我們可以從這個圖上看到什么時候溫度最高（相當于峰值），溫度變化的周期是多久。對于交變電流的圖像也是這樣，我們可以從上面得到很多有用的信息。（二）根據(jù)圖像計算周期、頻率、峰值和有效值1、計算周期從圖像上看，相鄰兩個相同狀態(tài)之間的時間間隔就是周期。比如說，從電流為零開始，到下一次電流為零，這個時間間隔就是周期。2、計算頻率知道了周期，根據(jù)我們前面說的頻率和周期的關(guān)系f=1/T，就可以計算出頻率了。3、計算峰值圖像上最高的點或者最低的點對應(yīng)的數(shù)值就是峰值。這就像我們看山峰的高度一樣，圖像上的峰值就是交變電流在這個周期內(nèi)的最大或者最小值。4、計算有效值計算有效值相對復(fù)雜一點。對于正弦式交變電流，有效值和峰值之間有一個特定的關(guān)系。電流的有效值I=I?/√2，電壓的有效值U=U?/√2。這個關(guān)系是怎么來的呢？這就得從有效值的定義，也就是根據(jù)熱效應(yīng)來推導(dǎo)了。不過大家只要記住這個關(guān)系，就可以根據(jù)峰值計算出有效值了。四、交變電流的相位（一）相位的概念相位這個概念可能有點抽象。咱們可以把交變電流想象成一個在旋轉(zhuǎn)的輪子。相位就是這個輪子在某個時刻的位置。就像時鐘的指針，在不同的時刻指向不同的位置，這個位置就有點像交變電流的相位。我給大家舉個例子。比如說有兩個正弦式交變電流，它們的頻率是一樣的，但是起始的位置不一樣，就像兩個同時起跑的運動員，但是起跑的位置不一樣，這個起跑的位置就相當于它們的相位不同。（二）相位差相位差就是兩個交變電流相位之間的差值。如果兩個交變電流的相位差是0，那就說明它們是同相的，就像兩個并排跑步的運動員。如果相位差是π（180°），那就說明它們是反相的，就像兩個朝著相反方向跑的運動員。相位差在很多電路分析中都很重要呢。重點：1、交變電流的周期、頻率、峰值、有效值和相位的概念。這些概念是理解交變電流的基礎(chǔ)，就像蓋房子的磚頭一樣重要。2、周期和頻率的關(guān)系f=1/T，以及正弦式交變電流有效值和峰值的關(guān)系I=I?/√2，U=U?/√2。這些關(guān)系在計算中經(jīng)常用到，大家一定要記住。難點：1、有效值的概念理解。因為它是根據(jù)熱效應(yīng)來定義的，不像其他概念那么直觀，所以大家可能會覺得有點難理解。大家可以多從一些實際的例子，比如前面說的兩個人干活的例子來理解。2、相位和相位差的概念。這兩個概念比較抽象，大家可以多結(jié)合一些形象的比喻，像時鐘指針、運動員跑步這些例子來加深理解。五、實際應(yīng)用中的交變電流（一）家用電器中的交變電流咱們家里的各種電器都離不開交變電流。比如說電燈，當交變電流通過燈絲的時候，燈絲就會發(fā)熱發(fā)光。電視、冰箱、洗衣機等等電器也都是靠交變電流來工作的。不同的電器對交變電流的要求也不一樣。比如說，電腦對電壓的穩(wěn)定性要求比較高，如果電壓波動太大，電腦可能就會出問題。這就像不同的人對環(huán)境的要求不一樣，有些人能適應(yīng)比較惡劣的環(huán)境，有些人就需要比較舒適的環(huán)境才能好好工作。（二）工業(yè)中的交變電流在工業(yè)生產(chǎn)中，交變電流更是發(fā)揮著巨大的作用。大型的機器設(shè)備，像車床、銑床等等，都是靠交變電流來驅(qū)動的。而且在工業(yè)生產(chǎn)中，有時需要對交變電流進行變換，比如說把電壓升高或者降低，這就需要用到變壓器了。變壓器就像一個魔術(shù)師，可以把交變電流按照我們的需求進行變化。（三）交變電流在電力傳輸中的應(yīng)用在電力傳輸過程中，為了減少電能的損耗，我們通常會采用高壓輸電的方式。這是因為根據(jù)公式P=UI（P表示功率，U表示電壓，I表示電流），在輸送功率一定的情況下，電壓越高，電流就越小。而根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt（Q表示熱量，R表示電阻，t表示時間），電流越小，在輸電線路上產(chǎn)生的熱量就越少，電能的損耗也就越小。就像我們運水，如果用很細的管道運水，水的壓力就要很大，這樣水在管道里流動的時候就不容易漏水（相當于電能損耗?。?。六、總結(jié)同學(xué)們，今天我們學(xué)習(xí)了交變電流的產(chǎn)生與輸送中的交變電流的描述這部分內(nèi)容。我們了解了交