1直流、交流、电磁基本知识

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1、基础知识:1. 直流电与交流电1简介直流电又称恒流电，恒定电流是直流电的一种，是大小和方向都不变的直流电，它是由 爱迪生发现的。脉动直流电与平滑直流电恒定电流是指大小（电压高低）和方向（正负极）都不随时间（相对范围内）而变化， 比如干电池。脉动直流电是指方向（正负极）不变，但大小随时间变化，比如：我们把50Hz 的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直 流电，如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电，它们只有经过滤波（用电 感或电容）以后才变成平滑直流电，当然其中仍存在脉动成分（称纹波系数），大小视滤波 电路得滤波效果。2优点1、输送相同功

2、率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/31/2 .直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线载 面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输 电线和绝缘材料可节约1/3.如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流损耗、架空线的 电晕损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积 的1.33倍.因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半.同时，直流输电杆塔结 构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地面积也少.2、在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电

3、线路存在电容电流， 引起损耗.在一些特殊场合，必须用电缆输电.例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输 电线经过海峡时，要用海底电缆.由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输 电线路中，空载电容电流极为可观.一条200kV的电缆，每千米的电容约为0.2“F每千米 需供给充电功率约3x103kw，在每千米输电线路上，每年就要耗电2.6x107kw?h.而在直流 输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上.3、直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行.交流远距 离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的 频率虽然

4、规定统一为50HZ，但实际上常产生波动.这两种因素引起交流系统不能同步运行， 需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的 循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故.在技术不发达的国家里，交流输电距离 一般不超过300km而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运 行，不需进行同步调整.4、直流输电发生故障的损失比交流输电小.两个交流系统若用交流线路互连，则当一 侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流.因此使两侧系统原有开关切断短路 电流的能力受到威胁，需要更换开关.而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅 速、方便地

5、进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障 侧交流系统的短路电流与没有互连时一样.因此不必更换两侧原有开关及载流设备.在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响.所以，当一极发生故障时， 只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能.但在交流输电线路中，任一相发 生永久性故障，必须全线停电.3原理直流电所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该 直流电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源 内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成 闭合的电流线。所以

6、，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在 电阻上消耗的焦耳热补充能量。4电路在比较简单的直流电路中，电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根 据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括 节点电流方程和回路电压方程两部分，前者指出，对于任一节点3个或3个以上支路的交 点），流入和流出节点的各电流的代数和为零，这是恒定条件的要求，后者指出，对于任一 闭合回路（网格），各部分电压降的代数和为零，这是静电场环路定理的结果，两者构成了 完备的方程组。5仪表测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用

7、的 有灵敏电流表（G表），电流表，伏特计，电桥，电势差计等。6电源直流电源有化学电池，燃料电池，温差电池，太阳能电池，直流发电机等。利用直流电， 还可以进行水的电解实验。将负极插入水中，可以使水电解为氢气，正极则使水电解为氧气。 7传输在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距 离传输，直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来，由于采用高电压、大功率变流 器将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。8应用直流电主要应用于各种电子仪器，电解，电镀，直流电力拖动等方面。9历史在早期，工程师们主要致力于研究直流电，发电站的供电范围也很有限

8、，而且主要用于 照明，还未用作工业动力。例如，1882年爱迪生电气照明公司（创建于1878年）在纽约建 立了第一座发电站，安装了三台110伏“巨汉”号直流发电机，这是爱迪生于1880年研制的， 这种发电机可以为1500个16瓦的白炽灯供电。但是随着科学技术和工业生产发展的需要，电力技术在通信、运输、动力等方面逐渐得 到广泛应用，社会对电力的需求也急剧增大。由于用户的电压不能太高，因此要输送一定的 功率，就要加大电流（P=IU）。而电流愈大，输电线路发热就愈厉害，损失的功率就愈多； 而且电流大，损失在输电导线上的电压也大，使用户得到的电压降低，离发电站愈远的用户， 得到的电压也就愈低。直流输电的

9、弊端，限制了电力的应用，促使人们探讨用交流输电的问 题。爱迪生虽然是一个伟大的发明家，但是他没有受过正规教育，缺乏理论知识，难以解决 交流电涉及到的数学运算，阻碍了他对交流电的理解，所以在交、直流输电的争论中，成了 保守势力的代表。爱迪生认为交流电危险，不如直流电安全。他还打比方说，沿街道敷设交 流电缆，简直等于埋下地雷。并且邀请人们和新闻记者，观看用高压交流电击死野狗、野猫 的实验。那时纽约州法院通过了一项法令，用电刑来执行死刑。行刑用的电椅就是通以高压 交流电，这正好帮了爱迪生的大忙。在他的反对下，交流电遇到了很大的阻碍。但是为了减少输电线路中电能的损失，只能提高电压。在发电站将电压升高，

10、到用户地 区再把电压降下来，这样就能在低损耗的情况下，达到远距离送电的目的。而要改变电压， 只有采用交流输电才行。1885年，由费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输 电。他用钢皮铜心电缆将1万伏的交流电送往相距10公里外的市区变电站，在这里降为2500 伏，再分送到各街区的二级变压器，降为100伏供用户照明。以后，俄国的多利 一多布 罗沃斯基又于1889年最先制出了功率为100瓦的三相交流发电机，并被德国、美国推广应 用。事实成功地证实了高压交流输电的优越性。并在全世界范围内迅速推广。10与交流电区别交流电，（市电）是指大小和方向随时间作周期性变化的一种电流交流电是用交流发电机发出的

11、，在发电过程中,多对磁极是按一定的角度均匀分布在一个 圆周上，使得发电过程中，各个线圈就切割磁力线,由于具有多对磁极，每对磁极产生的磁力线 被切割产生的电压、电流都是按弦规律变化的，所以能够不断的产生稳定的电流。国内交流 电的频率一般是50赫兹，即每秒变化50次有些国家交流电的频率是60赫兹，即每秒变化 60次当然也有其它频率如电子线路中有方波的、三角形的等，但这些波形的交流电不是导 体切割磁力线产生的，而是电容充放电、开关晶体管工作时产生的。直流电的方向则不随时间而变化。通常又分为脉动直流电和稳恒电流。脉动直流电中有 交流成分,如彩电中的电源电路中大约300伏左右的电压就是脉动直流电成分可通

12、过电容去 除。稳恒电流则是比较理想的，大小和方向都有不变。2.电磁电磁，物理概念之一，是物质所表现的电性和磁性的统称。如电磁感应、电磁波等等。 电磁是法拉第发现的。电磁现象产生的原因在于电荷运动产生波动。形成磁场，因此所有的 电磁现象都离不开磁场。电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理 学分支学科。麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展 了对现代文明起重大影响的电工和电子技术，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。 1基本定义电磁是是能量的反应是物质所表现的电性和磁性的统称，如电磁感应、电磁波、电磁场电磁现象我们知道，所有的电磁现象都离不开磁场；

13、而磁场是由运动电荷产生的。从运动电荷入 手是否可以解释电磁现象呢？运动电荷可以产生波动。其波动机理为：运动电荷e运动时，必然受到其毗邻e地阻碍， 表现为运动电荷带动其毗邻1向上运动，即毗邻随同运动电荷e 一起向上运动；当毗邻1 向上运动时，必然受到其自身毗邻1地阻碍，表现为毗邻1带动其自身毗邻向上运动，即毗 邻2随同毗邻1一起向上运动 。这样以此向前传播，形成波动。显然，真空中这种波动 的传播速度为光速。运动电荷产生的波动对小磁针有什么影响呢？以直线电流为例我们来分析之。小磁针N 处于直线电流I的右侧，当把小磁针N简化成一个环形电流abed时，虽然点a、b、c、d都 处于直线电流I的波动范围之

14、内，但点a、b、c、d处毗邻运动的能量大小不等。显然，EaEc, Eb=Ed。这样一来，直线电流I的波动对小磁针N的环形电流abed就有一个顺时针的力矩。 该力矩作用于绕核旋转的电子，使其顺时针旋转，其宏观表现为小磁针N的北极垂直纸面 向外。然电流产生的波动可以影响小磁针的偏转，说明该波动具有客观实在性；两个具有客观 实在性的波动相遇时肯定会相互影响，我们来分析之。分析现象直线电流I2处于直线电流II的波动范围内，II、I2同向并在同一个平面内，直线电流 II、I2把空间分成A、B、C三个区域。分析直线电流II波动时所形成的毗邻运动，知区域 A内毗邻运动的能量大于区域C内毗邻运动的能量。当直线

15、电流I2波动传播时，在区域A 内受到的阻力就要小于在区域C内受到的阻力。这样电流I2波动时在区域A内的传播速 度vA就要大于在区域C的传播速度vC,即vAvC。根据“光速不变原理”，这是不稳定的。 因此直线电流I2有靠近直线电流II的趋势，以使vA=vC=c，表现为同向直线电流相吸。电荷运动可以产生波动。该波动不但会对小磁针的偏转产生影响，而且波动之间也能互 相影响，从而成功地解释了电磁现象。可以看出，从运动电荷入手，分析运动电荷产生的波动，可以得到所谓的“磁场”分析 两个波动的相互影响，可以解释“同向直线电流相吸”等电磁现象。2电磁学定义电磁学是研究电磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的

16、物理学分支学科。早 期，由于磁现象曾被认为是与电现象独立无关的，同时也由于磁学本身的发展和应用，如近 代磁性材料和磁学技术的发展，新的磁效应和磁现象的发现和应用等等，使得磁学的内容不 断扩大，所以磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究了。电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学 科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验 现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了 对现代文明起重大影响的电工和电子技术。根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷所产生的，因而在电学的范围内必然不 同程度地包含磁学的内容。所以，电磁学和电学的内容很难截然划分，而“电学”有时也就作 为吨磁学”的简称。麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象(