直流電與交流電

2022-08-30 01:57:03 字數 2627 閱讀 6373

測量直流電路中電流、電壓、電阻、電源電動勢等物理量的儀表稱為直流儀表。常用的有電流計,安培計,伏特計,電橋,電勢差計等。

直流電源有化學電池,燃料電池,溫差電池,太陽能電池,直流發電機等。直流電主要應用於各種電子儀器,電解,電鍍,直流電力拖動等方面。利用直流電,還可以進行水的電解實驗。

將負極插入水中,可以使水電解為氫氣,正極則使水電解為氧氣。

在電力傳輸上,19世紀80年代以後,由於不便於將直流電低電壓公升至高電壓進行遠距離傳輸,直流輸電曾讓位於交流輸電。20世紀60年代以來,由於採用高電壓、大功率變流器將直流電變為交流電,直流輸電系統又重新受到重視並獲得新的發展。

交流電交流電(英文:alternatingcurrent,簡寫ac)。一般指大小和方向隨時間作週期性變化的電壓或電流。

它的最基本的形式是正弦電流。我國交流電供電的標準頻率規定為50赫茲,日本等國家為60赫茲。交流電隨時間變化的形式可以是多種多樣的。

不同變化形式的交流電其應用範圍和產生的效果也是不同的。以正弦交流電應用最為廣泛,且其他非正弦交流電一般都可以經過數學處理後,化成為正弦交流電的迭加。正弦電流(又稱簡諧電流),是時間的簡諧函式。

i=im sin(ωt+φ)

im叫做電流的峰值,i為瞬時值。

當線圈在磁場中勻速轉動時,線圈裡就產生大小和方向作週期性改變的交流電。現在使用的交流電,一般是方向和強度每秒改變50次。

我們常見的電燈、電動機等用的電都是交流電。在實用中,交流電用符號"~"表示。

電流i隨時間的變化規律,由此看出:正弦交流電需用頻率、峰值和位相三個物理量來描述。交流電所要討論的基本問題是電路中的電流、電壓關係以及功率(或能量)的分配問題。

由於交流電具有隨時間變化的特點,因此產生了一系列區別於直流電路的特性。在交流電路中使用的元件不僅有電阻,而且有電容元件和電感元件,使用的元件多了,現象和規律就複雜了。

交流電的頻率和週期

頻率是表示交流電隨時間變化快慢的物理量。即交流電每秒鐘變化的次數叫頻率,用符號f表示。它的單位為周/秒,也稱赫茲常用「hz」表示,簡稱周或赫。

交流電流的有效值

在交流電變化的乙個週期內,交流電流在電阻r上產生的熱量相當於多大數值的直流電流在該電阻上所產生的熱量,此直流電流的數值就是該交流電流的有效值。例如在同樣兩個電阻內,分別通以交流電i(t)和直流電i,通電時間相同,如果它們產生的總熱量相等,則說這兩個電流是等效的。交流電的有效值通常用u或(i)來表示。

u表示等效電壓,i表示等效電流。設一電阻r,通以交流電i,在很短的一段時間dt內,流經電阻r的交流電可認為是恆定的,因此在這很短的時間內在r上產生的熱量

dw=i2rdt

在乙個週期內交流電在電阻上產生的總熱量

而直流電i在同一時間t內在該電阻上產生的熱量

w=i2rt

根據有效值的定義有

所以有效值

根據上式,有時也把有效值稱為「平均根值」。對正弦交流電,有i=imsinωt,故而其中可見正弦交流電的有效值等於峰值的0.707倍。

通常,交流電表都是按有效值來刻度的。一般不作特別說明時,交流電的大小均是指有效值。例如市電220伏特,就是指其有效值為220伏特,

交流電的平均值

交流電在半週期內,通過電路中導體橫截面的電量q和其一直流電在同樣時間內通過該電路中導體橫截面的電量相等時,這個直流電的數值就稱為該交流電在半週期內的平均值。

對正弦交流電流,即i=imsinωt,則平均值與峰值的關係為

故,正弦交流電的平均值等於峰值的0.637倍。對正弦交流電來說在上半週期內,一定量的電量以某一方向流經導體的橫截面,在下半週期內,同樣的電量卻以相反的方向流經導體的橫截面。

因而在乙個週期內,流經導體橫截面的總電量等於零,所以在乙個週期內正弦交流電的電流平均值等於零。如果直接用磁電式電表來測量交流電流,將發現電表指標並不發生偏轉。這是因為交流電流一會兒正,一會兒為負,磁電式電表的指標無法適應。

即半波整流後交流電的平均值和最大值的關係為

而交流電的有效值和最大值的關係為

所以即正弦交流電經半波整流後的平均值只有有效值的0.45倍。

位相在交流電中i=imsin(ωt+α)中的(ωt+α)叫做位相(位相角)。它表徵函式在變化過程中某一時刻達到的狀態。例如,在階段,當ωt+α=0時達到取零值的階段,等等。

α是t=0時的位相,叫初相。在實際問題中,更重要的是兩個交流電之間的位相差。圖3-18畫出了電壓ul和u2的三種不同的位相差。

圖3-48a中可看到兩個電壓隨時間而變化的步調是一致的,同時到達各自的峰值,又同時下降為零。故稱這兩個電壓為同位相,也就是說它們之間的位相差為零。3-48b中兩個電壓隨時間變化的步調是相反的,u1為正半周時,u2為負半周,u1達到正最大值時,u2達到負的最大值,則這兩個電壓的位相相反,或者說它們之間的位相差為π。

圖3-48c中兩個電壓的變化步調既不一致也不相反,而是有乙個先後,它們之間的位相差介於0與π之間。從圖3-48c中可以看出u1和u2之間的位相差是π/2。總之,兩個交流電壓或電流之間的位相差是它們之間變化步調的反映。

交流電路中的電阻

純電阻電路是最簡單的一種交流電路。白熾燈、電爐、電烙鐵等的電路都可以看成是純電阻電路。雖然純電阻的電壓和電流都隨時間而變,但對同一時刻,歐姆定律仍然成立,即的波形如圖3-49b所示。

對純電阻電路有:(1)通過電阻r的電流和電壓的頻率相同;(2)通過電阻r的電流峰值和電壓峰值的關係是

的電流和電壓同位相。圖3-49a為純電阻電路示意圖。

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