直流和交流的区别.doc

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1、直流和交流的区别是什么？2008年04月29日 星期二 12:24直流电（direct current） 大小和方向都不随时间变化的电流。又称恒定电流。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，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。 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

2、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。 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。常用的有电流计，安培计，伏特计，电桥，电势差计等。 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。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。 在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将

3、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。 交流电 简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。我国交流电供电的标准频率规定为50赫兹。交流电随时间变化的形式可以是多种多样的。不同变化形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。以正弦交流电应用最为广泛，且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后，化成为正弦交流电的迭加。正弦电流（又称简谐电流），是时间的简谐函数 i=Imsin（t+0） 当线圈在磁场中匀速转动时，

4、线圈里就产生大小和方向作周期性改变的交流电。 现在使用的交流电，一般是方向和强度每秒改变52赫兹。 我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中，交流电用符号表示。 电流i随时间的变化规律，由此看出：正弦交流电需用频率、峰值和位相三个物理量来描述。交流电所要讨论的基本问题是电路中的电流、电压关系以及功率（或能量）的分配问题。由于交流电具有随时间变化的特点，因此产生了一系列区别于直流电路的特性。在交流电路中使用的元件不仅有电阻，而且有电容元件和电感元件，使用的元件多了，现象和规律就复杂了。 【交流电的频率和周期】频率是表示交流电随时间变化快慢的物理量。即交流电每秒钟变化的次数叫频率，用符号

5、f表示。它的单位为周秒，也称赫兹常用“Hz”表示，简称周或赫。例如市电是50周的交流电，其频率即为f=50周秒。对较高的频率还可用千周（kC）和兆周（MC）作为频率的单位。 1千周（kC）=103周秒 1兆周（MC）=10千周（kC）=106周秒 例如，我国第一颗人造地球卫星发出的讯号频率是20.009兆周，亦即它发出的是每秒钟变化20.009106次的交变讯号。交流电正弦电流的表示式中I = Imsin（t+0）中的称为角频率，它也是反映交流电随时间变化的快慢的物理量。角频率和频率的关系为 =2f。 交流电随时间变化的快慢还可以用周期这个物理量来描述。交流电变化一次所需要的时间叫周期，用符号

6、T表示。周期的单位是秒。显然，周期和频率互为例数，即 由此可见，交流电随时间变化越快，其频率f越高，周期 T越短；反之，频率f越低，周期T越长。 【交流电流的峰值】 简谐函数（又称简谐量）是时间的周期函数。其简谐电流 i=Imsin（t） 中的Im叫做电流的峰值，i为瞬时值。应该指出，峰值和位相是按上式中Im为正值的要求定义的。如对下面形式的函数 i=-5sin（t+） 不应认为峰值为-5、初相为+，而应把函数先写成 i=5sin（t+） 从而看出其峰值为5，初位相为。 【交流电流的有效值】在交流电变化的一个周期内，交流电流在电阻R上产生的热量相当于多大数值的直流电流在该电阻上所产生的热量，此

7、直流电流的数值就是该交流电流的有效值。例如在同样两个电阻内，分别通以交流电i（t）和直流电I，通电时间相同，如果它们产生的总热量相等，则说这两个电流是等效的。交流电的有效值通常用U或（I）来表示。U表示等效电压，I表示等效电流。设一电阻R，通以交流电i，在很短的一段时间dt内，流经电阻R的交流电可认为是恒定的，因此在这很短的时间内在R上产生的热量 dW=i2Rdt 在一个周期内交流电在电阻上产生的总热量 而直流电I在同一时间T内在该电阻上产生的热量 W=I2RT 根据有效值的定义有 所以有效值 根据上式，有时也把有效值称为“平均根值”。对正弦交流电，有i=Imsint，故 而其中 可见正弦交流

8、电的有效值等于峰值的0.707倍。通常，交流电表都是按有效值来刻度的。一般不作特别说明时，交流电的大小均是指有效值。例如市电220伏特，就是指其有效值为220伏特， 【交流电的平均值】交流电在半周期内，通过电路中导体横截面的电量Q和其一直流电在同样时间内通过该电路中导体横截面的电量相等时，这个直流电的数值就称为该交流电在半周期内的平均值。 对正弦交流电流，即i=Imsint，则平均值与峰值的关系为 故，正弦交流电的平均值等于峰值的0.637倍。对正弦交流电来说在上半周期内，一定量的电量以某一方向流经导体的横截面，在下半周期内，同样的电量却以相反的方向流经导体的横截面。因而在一个周期内，流经导体

9、横截面的总电量等于零，所以在一个周期内正弦交流电的电流平均值等于零。如果直接用磁电式电表来测量交流电流，将发现电表指针并不发生偏转。这是因为交流电流一会儿正，一会儿为负，磁电式电表的指针无法适应。如果附有整流器的磁电式电表（例如万用电表中的交流档）接入交流电路中如图346所示。那么在一周期内，只有正半周的电流通过电表，如图347中的实线所示，负半周期电流则过二极管D2而不通过表，图347中的虚线所示。在一周期内通过电表的电流平均值为 即半波整流后交流电的平均值和最大值的关系为 而交流电的有效值和最大值的关系为 所以 即正弦交流电经半波整流后的平均值只有有效值的0.45倍。 【位相】在交流电中i

10、Imsin（t+）中的（t+）叫做位相（位相角）。它表征函数在变化过程中某一时刻达到的状态。例如，在 阶段，当t+=0时达到取零值的阶段，等等。是t=0时的位相，叫初相。在实际问题中，更重要的是两个交流电之间的位相差。图318画出了电压ul和u2的三种不同的位相差。图348a中可看到两个电压随时间而变化的步调是一致的，同时到达各自的峰值，又同时下降为零。故称这两个电压为同位相，也就是说它们之间的位相差为零。348b中两个电压随时间变化的步调是相反的，u1为正半周时，u2为负半周，u1达到正最大值时，u2达到负的最大值，则这两个电压的位相相反，或者说它们之间的位相差为。图348c中两个电压的变化

11、步调既不一致也不相反，而是有一个先后，它们之间的位相差介于0与之间。从图348c中可以看出u1和u2之间的位相差是2。总之，两个交流电压或电流之间的位相差是它们之间变化步调的反映。 【交流电路中的电阻】纯电阻电路是最简单的一种交流电路。白炽灯、电炉、电烙铁等的电路都可以看成是纯电阻电路。虽然纯电阻的电压和电流都随时间而变，但对同一时刻，欧姆定律仍然成立，即的波形如图349b所示。对纯电阻电路有：（1）通过电阻R的电流和电压的频率相同；（2）通过电阻R的电流峰值和电压峰值的关系是 的电流和电压同位相。图349a为纯电阻电路示意图。 【交流电路中的电感】如图350所示，一个忽略了电阻的空心线圈和交

12、流电流源组成的电路称为“纯电感电路”。在纯电感电路中，电感线圈两端的电压u和自感电动势eL间（当约定它们的正方向相同时）有 u=-eL 因自感电动势 故有 如果电路中的电流为正弦交流电流i=Imsint，则 其中Um=ImL为电感两端电压的峰值。纯电感电路中的电压和电流波形如图351所示。由此可见，对于纯电感电路：（1）通过电感L的电流和电压的频率相同；（2）通过电感L的电流峰值和电压峰值的关系是 Um=ImL 其有效值之间的关系为 U=IL 由上式可知，纯电感电路的电压大小和电流大小之比为 L称为电感元件的阻抗，或称感抗，通常用符号XL表示，即 XL=L=2fL。 式中，频率f的单位为赫兹，

13、电感L的单位为亨利，感抗XL的单位为欧姆。这说明，同一电感元件（L一定），对于不同频率的交流电所呈现的感抗是不同的，这是电感元件和电阻元件不同的地方。电感元件的感抗随交流电的频率成正比地增大。电感元件对高频交流电的感抗大，限流作用大，而对直流电流，因其f=0，故XL=0，相当短路，所以电感元件在交流电路中的基本作用之一就是“阻交流通直流”或“阻高频通低频”。各种扼流圈就是这方面应用实例；（3）在纯电感电路中，电感两端的电压位相超前其电流位 的变化成正比，而不是和电流的大小成正比。对于正弦交流电，当电流i 当电流为零时，其变化率为最大，电压也最大。所以两者的相 【交流电路中的电容】当把正弦电压u

14、=Umsint加到电容器时，如图352所示，由于电压随时间变化，电容器极板上的电量也随着变化。这样在电容器电路中就有电荷移动。如果在dt时间内，电容器极板上的电荷变化dq，电路中就要有db的电荷移动，因此电路中的电流 对电容器来说，其极板上的电量和电压的关系是 q=CU 因此有 其中Im=UmC为电路中电流的峰值。纯电容电路中的电压和电流波形如图353所示。由此可见，对于纯电容电路：（1）通过电容C的电流和电压的频率相同；（2）通过电容C的电流峰值和电压峰值的关系是 Im=UmC 其有效值之间的关系为 I=UC 由上式可知，纯电容电路中的电压大小与电流大小之比为 表示，即 式中频率f的单位为赫

15、兹，电容C的单位是法拉，容抗Xc的单位为欧姆。可见，同一电容元件（C一定），对于不同频率的交流电所呈现的容抗是不同的。由于电容器的容抗与交流电的频率成反比，因此频率越高，容抗就越小，频率越低，容抗就越大。对直流电来讲f=0，容抗为无限大，故相当于断路。所以电容元件在交流电路中的基本作用之一就是“隔直流，通交流”或“阻低频，通高频”；（3） 率成正比，而不是和电压的大小成正比。对于正弦交流电，当电压为零 【交流电路中的欧姆定律】在交流电路中，电压、电流的峰值或有效值之间的关系和直流电路中的欧姆定律相似，其等式为U=IZ或 该式就是交流电路中的欧姆定律。应该注意的是（即与直流电路欧姆定律不同的地方）：由于电压和电流随元件不同而具有位相差，所以电流和电压的有效值之间一般不是简单的数量的比例关系。下面分两种基本电路来分析：（1）在串联电路中，如图354所示，R、L、C上的总电压不等于各段分电压的和，即 UURUL+Uc。 压，决不是各个元件上电压的代数和而是矢量和。在电阻R上 在电感L上，ZL=L