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1、交变电流电磁场电磁波一、知识网络二、画龙点睛概念1、交变电流的产生(1)交变电流：大小和方向都随时间作周期性变化的电流，叫做交变电流，简称交流。(2)中性面中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置，或瞬时感应电动势为零的位置。中性面的特点a线圈处于中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，但0；b线圈经过中性面，线圈中感应电流的方向要改变。线圈转一周，感应电流方向改变两次。线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，因此线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。(3)交变电流的产生下图是交流发电机矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程的示意图，图中只画出了一匝线圈。甲乙丙 丁 戊线圈在不断转动，电路中
2、电流的方向也就不断改变，交变电流就是这样产生的。2、交变电流的图象和变化规律(1)交变电流的图象波形图：反映电压(或电流)随时间变化规律的图象，叫做波形图。交变电流图象的特点：家庭电路中交变电流的波形图象为正弦曲线。(2)交变电流的变化规律如果线圈从中性面开始计时，逆时针方向匀速转动，角速度，经时间t，线圈转到图示位置，ab边与cd边的速度方向与磁场方向夹角为t，如图所示。eEmsintiImsintuUmsint交变电流的最大值表达式EmNBSImUmImRR(3)交变电流的类型正弦式电流：随时间按正弦规律变化的电流，叫做正弦式电流。正弦式电流是一种又最基本的交变电流，家庭电路中的交变电流就
3、是正弦式交变电流。其它形式的交变电流实际中应用的交变电流，不只限于正弦交变电流，它们随时间的变化规律是各种各样的。几种交变电流的波形。3、交流发电机(1)交流发电机的组成电枢和磁极：交流发电机构造比模型复杂得多，但基本组成都是有产生感应电动势的线圈（通常叫电枢）和产生磁场的磁极。转子和定子：转动的部分称为转子，不动的部分称为定子。(2)交流发电机的种类旋转电枢式发电机电枢转动，磁极不动的发电机，叫做旋转电枢式发电机。旋转磁极式发电机磁极转动，而电枢不动的发电机，叫做旋转磁极式发电机。两种发电机的优缺点旋转电枢式发电机经过裸露的滑环和电刷引到外电路，同时转动的电枢又不可能很大，产生的电压一般不超
4、过500V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。4、最大值和有效值(1)最大值最大值：交变电流的最大值，指交变电流一个周期内所能达到的最大数值。通常用Im、Em和Um表示最大值。意义：可表示交变电流的强弱或电压的高低。(2)有效值概念让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同时间内，产生热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值。通常用大写字母U、I、E表示有效值。跟交流热效应相同的恒定电流的值叫做交流的有效值。定义有效值时要抓三个相同。意义：描述交变电流做功或热效应的物理量。正弦式交流的有效值正弦式交流的有效值与最大值关系为：I0.7
5、07ImU0.707Um例题：表示交变电流随时间变化图象，如图所示，则交变电流有效值为（）A5 AB5 Ai/At/sO0.020.04C3.5 AD3.5 A解析：设有效值为I，根据有效值的定义有()2R()2RI2RT2401234i/At/s解得：I5A答案：B例题：如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。解析：此题所给交流正负半周的最大值不相同，许多同学对交变电流有效值的意义理解不深，只知道机械地套用正弦交变电流的最大值是有效值的倍的关系，直接得出有效值，而对此题由于正负半周最大值不同，就无从下手。应该注意到在一个周期内前半周期和后半周期的有效值是可求的，再根据有效值的定义，
6、选择一个周期的时间，利用在相同时间内通过相同的电阻所产生的热量相同，从焦耳定律求得。 IRTI1R+ I2R 即I(+（） 解得：IA例题：交流发电机矩形线圈边长abcd0.4 m，bcad0.2 m，共50匝，线圈电阻r1，线圈在B0.2 T的匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴OO以r/s转速匀速转动，外接电阻9，如图所示。求：(1)电压表读数；(2)电阻R上电功率。解析：(1)线圈在磁场中匀速转动时，产生的感应电动势的最大值为：EmNBS500.20.40.22160 V。闭合回路中产生的感应电流的有效值为：IA电阻R两端的电压的有效值为：UIR72V101.5 V。(2)PUI728W115
7、2 W。说明a各种使用交变电流的电气设备上所标的额定电压和额定电流的数值为有效值；b一般交变电流流表和交变电流压表测量的数值，也都是有效值；c凡是没有说明的，所指的值均为有效值。(3)平均值交变电流在某段时间内电动势的平均值可由法拉第电磁感应定律求出。求出平均电流后可求某段时间内通过导线横截面的电荷量。交变电流的平均值不是一个定值。例题： 左图所示是某种型号的电热毯的电路图，电热毯接在交变电源上，通过装置P使加在电热丝上的电压的波形如右图所示。此时接在电热丝两端的交流电压表的读数为 A.110V B.156V C.220V D.311V解：从u-t图象看出，每个周期的前半周期是正弦图形，其有效
8、值为220V；后半周期电压为零。根据有效值的定义， ，得U=156V，选B。例题：交流发电机转子有n匝线圈，每匝线圈所围面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，匀速转动的角速度为，线圈内电阻为r，外电路电阻为R。当线圈由图中实线位置匀速转动90到达虚线位置过程中，求：通过R的电荷量q为多少？R上产生电热QR为多少？外力做的功W为多少？解：按照电流的定义I=q/t，计算电荷量q应该用电流的平均值：即，这里电流和电动势都必须要用平均值，不能用有效值、最大值或瞬时值。求电热应该用有效值，先求总电热Q，再按照内外电阻之比求R上产生的电热QR。这里的电流必须要用有效值，不能用平均值、最大值或瞬时值。根据能量
9、守恒，外力做功的过程是机械能向电能转化的过程，电流通过电阻，又将电能转化为内能，即放出电热。因此W=Q 。一定要学会用能量转化和守恒定律来分析功和能。例题：曾经流行过一种向自行车车头灯供电的小型交流发电机，图9为其结构示意图。图中N、S是一对固定的磁极，abcd为固定在转轴上的矩形线框，转轴过bc边中点、与ab边平行，它的一端有一半径r01.0cm的摩擦小轮，小轮与自行车车轮的边缘相接触，如图2所示。当车轮转动时，因摩擦而带动小轮转动，从而使线框在磁极间转动。设线框由N800匝导线圈组成，每匝线圈的面积S20cm2，磁极间的磁场可视作匀强磁场，磁感强度B0.010T，自行车车轮的半径R135
10、cm，小齿轮的半径R24.0cm，大齿轮的半径R310.0cm以（见图10）。现从静止开始使大齿轮加速转动，问大齿轮的角速度为多大才能使发电机输出电压的有效值U3.2V？（假定摩擦小轮与自行车轮之间无相对滑动） 解析： 当自行车车轮转动时，通过摩擦小轮使发电机的线框在匀强磁场内转动，线框中产生一正弦交流电动势，其最大值 式中0为线框转动的角速度，即摩擦小轮转动的角速度。 发电机两端电压的有效值 设自行车车轮转动的角速度为1，由于自行车车轮与摩擦小轮之间无相对滑动，有 小齿轮转动的角速度与自行车轮转动的角速度相同，也为1。设大齿轮转动的角速度为，有 由以上各式解得 代人数据得 3.2rad/s5
11、、周期和频率(1)周期：交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做交变电流的周期，通常用T表示，单位是s。(2)频率：交变电流在1s内完成周期性变化的次数，叫做交变电流的频率，通常用f表示，单位是赫兹（Hz）。(3)周期和频率的关系根据定义，周期和频率的关系是T周期和频率都是表示交变电流变化快慢的物理量。我国工农业生产和生活用的交变电流，周期是0.02s，频率是50Hz，电流方向每秒改变100次。6、电感对交变电流的阻碍作用(1)电阻对交流和直流阻碍作用相同(2)电感对交流和直流的阻碍作用不同对直流电起阻碍作用的只是线圈的电阻；对交流电，除了线圈电阻外，电感也起作用。(3)感抗感抗：电感对交变
12、电流的阻碍作用的大小，用感抗来表示。与感抗大小有关的因素：决定于线圈的自感系数和交变电流的频率。线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大。产生原因：线圈中产生的自感电动势对交流起阻碍作用。单位：欧()。(4)低频扼流圈与高频扼流圈低频扼流圈a构造：线圈绕在闭合的铁芯上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十亨。b特点：对低频交变电流就有很大的阻碍作用，而线圈的电阻较小，对直流的阻碍作用较小。低频扼流圈可用来“通直流，阻交流”。高频扼流圈a构造：线圈有的绕在圆柱形的铁氧体芯上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫亨。b特点：对低频交变电流的阻碍作用较小，对高频交变电流的阻碍作用很大
13、。高频扼流圈可用来“通低频，阻高频”。7、交变电流能够通过电容器(1)交变电流能够通过电容器直流电不能通过电容器，交流电能够通过电容器。(2)交变电流通过电容器的实质电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流“通过”了电容器。3、电容器对交变电流的阻碍作用(1)电容器对交变电流有阻碍作用交流能够通过电容器，但电容器对交流也有阻碍作用。(2)容抗容抗：电容对交流的阻碍作用的大小，用容抗来表示。与容抗大小有关的因素：电容器的电容大小和交变电流的频率决定容抗。电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗越小。产生原因：电容器极板上电荷的积累对电荷定向运动起阻碍作用。单位：欧姆()。(3)隔直
14、电容器和高频旁路电容器隔直电容器高频旁路电容器电容器具有“通交流，隔直流”，“通高频，阻低频”特点。8、变压器原理(1)变压器的构造变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）。两个线圈都是绝缘导线绕制成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。(2)变压器工作的基础互感现象：在原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应的现象，叫做互感现象。互感现象是变压器工作的基础变压器的能量转换：由于互感现象，绕制原线圈和副线圈的导线虽然并不相连，电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈。 从能量角度看：电能交变磁场能电能。(3)理想变压器：忽略原、副线圈的电阻，漏磁和铁芯中涡流等各种电磁能量损失的变压器，叫理想变压器。(4)原副线圈中的电压关系原副线圈中的电压关系E1n1E2n2在忽略漏磁情况下：12， 在忽略线圈电阻情况下： 可见，理想变压器原副线圈的端电压之比等
