交变电流【经典教案】

1、第5章 交变电流1、 交变电流和直流1. 交变电流1) 概念：方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流（AC）。2) 分类大小不变，方向周期性变化大小、方向均周期性变化分类3) 图例，如下图所示。2. 直流1) 概念：方向不随时间变化的电流叫作直流（DC）。2) 分类特点：大小、方向都不随时间改变恒定电流特点：方向不变，大小随时间改变脉动电流分类 3) 图例：如下图所示。 2、 交变电流的产生 1. 交流发电机模型原理图，如下图所示 2. 按下图所示进行试验演示 3. 矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，各位置如下图所示4. 为了方便的分析问题，我们将立体图转化为平面来分析

2、5. 对上图线圈的每个位置进行分析1)BS， 最大， E=0 , I=0 中性面没有边切割磁感应线BS，=0，E最大，I最大，感应电流方向b到aa（b）、d（c）边垂直切割磁感应线，2) BS， 最大， E=0 , I=0 中性面没有边切割磁感应线3) a（b）、d（c）边垂直切割磁感应线，BS，=0，E最大，I最大，感应电流方向b到a4) 提出问题，请接招！设正方形线圈的边长为L，在匀强磁场B中绕垂直于磁场的对称轴以角速度匀速转动，如图所示，ab和cd边垂直于纸面，转轴为O回答问题：a、线圈转动一周，电流方向改变多少次？b、线圈转到什么位置时磁通量最大？这时感应电动势是最大还是最小？c、线圈

3、转到什么位置时磁通量最小？这时感应电动势是最大还是最小？d、试推导感应电动势大小的变化规律公式6. 中性面1) 中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面2) 线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，但磁通量的变化率为零（ ab和cd边都不切割磁感线），线圈中的电动势为零3) 线圈经过中性面时，电流将改变方向，线圈转动一周，两次经过中性面，电流方向改变两次3、 交变电流的变化规律1、 交变电流表达式的推导以线圈经过中性面开始计时，在时刻t线圈中的感应电动势（ab和cd边切割磁感线 ）： 所以令 则有e为电动势在时刻t的瞬时值，Em为电动势的最大值（峰值）2、 交变电流规律总结1) 电动势按正

4、弦规律变化成立条件：转轴垂直匀强磁场，经中性面时开始计时2) 电流按正弦规律变化 3) 电路上的电压按正弦规律变化 电流i=Imsinwt通过R时：abcdKLABabcdK LABabcdkLABabcdkLABabcdkLAB4、 交变电的图像 五、描述交变电流的物理量1.交变电流的周期和频率 交变电流跟别的周期性过程一样，是用周期或频率来表示变化快慢的。1) 周期：我们把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。周期用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。频率用f表示，单位是Hz。3) 周期和频率的关系是： 演示实验 把小

5、灯泡接在手摇交流发电机模型的输出端。当转子的转速由小增大时，我们看到，小灯泡发光的闪烁频率也由小增大，当转子的转速大到一定程度，由于交变电流的大小和方向变化太快，由于人眼存在视觉暂留的缘故，所以眼睛已不能分辨灯光的闪烁。这就是为什么照明电是交变电流，而电灯亮时看不见一闪一闪的原因。说明 我国工农业生产和日常生活中用的交变电流周期是0.02S，频率是50Hz，电流方向每秒钟改变100次。 交变电流的周期和频率跟发电机转子的角速度有关。越大，周期越短、频率越高。、交变电流的峰值和有效值 1）交变电流峰值（Im、Em、Um）：指交变电流各个参量一个周期内所能达到的最大值。表示交变电流的强弱或电压的高

6、低。实际中需要考虑。例如：电容器接在交流电路中，应需要知道交变电压的最大值，电容器的额定电压应高于交变电压的最大值，否则电容器有可能被击穿。2)交变电流有效值（I、E、U）：思考与讨论 如图所示的电流通过一个R=1的电阻，它不是恒定电流。a.样计算通电1s内电阻R中产生的热量?解析：图象反映的交变电流可以分为4段。前半个周期中，00.2S内，可看成电流大小为1A的恒定电流，0.2S0.5S内，可看成电流大小为2A的恒定电流.后半个周期的电流与前半个周期方向相反，但产生热量相同。则交流电的热量： b.如果有一个大小、方向都不变的恒定电流通过电阻R，也能在1s内产生同样的热，这个电流是多大? 恒定

7、电流的热量：教师指出 1 有效值：（抓三个相同）让交流与恒定电流通过相同的电阻，如果它们在一个周期内产生的热量相等，把恒定电流的值叫做这个交变电流的有效值。2 正弦交流电有效值与最大值之间的关系说明 交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是有效值；交流电压表和交流电流表的示数是有效值；交变电流的数值在无特别说明时都是指有效值。交变电流的有效值是根据电流的热效应来规定的。引入有效值的的概念便于把处理恒定电流的一些方法拓展到交流电中。3. 相位1) 初相位如果线圈平面转到与中性面成某一夹角的位置开始计时，则经过时间后，线圈平面跟中性面之间的夹角为，此时感应电动势的瞬时值为。式中，叫作交变电流的相位

8、，是t=0时的相位，叫作交变电流的初相位。2) 相位差两支交变电流的相位之差叫作它们的相位差。两支频率相同但初相位不同的交变电流，它们的相位差2-1是个常数，即它们具有确定的相位差。【拓展】反相与同相1 如果两支频率相同的交流的相位差是或的奇数倍，则称它们为反相，即变化步调始终相反。2 如果两支频率相同的交流的相位差始终是0或2的整数倍，则称它们为同相，即变化步调始终相同。习题1甲、乙两电路中电流与时间关系如图下图所示，属于交变电流的是()A 甲、乙都是 B 甲是乙不是C乙是甲不是 D甲、乙都不是2在下图中，不能产生交变电流的是()3交流发电机在工作时的电动势eEmsint.若将线圈匝数、线圈

9、面积都提高到原来的两倍，其他条件不变，则电动势变为()Ae2Emsint Be4EmsintCeEmsint DeEmsint4.矩形线圈的匝数为50匝，在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图5114所示下列结论正确的是()A在t0.1 s和t0.3 s时，电动势最大B在t0.2 s和t0.4 s时，电动势改变方向C电动势的最大值是157 VD在t0.4 s时，磁通量变化率最大，其值为3.14 Wb/sBabcdt0ICt0IDt0IAt0IB5.处在匀强磁场中的矩形线圈abcd，以恒定的角速度绕ab边转动，磁场方向平行于纸面并与ab垂直。在t=0时刻，线

10、圈平面与纸面重合（如图），线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由abcda方向的感应电流为正，则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图线是（ ）6.一个电阻接在10V的直流电源上，它的发热功率是P，当接到电压为u=10sintV的交流电源上，它的发热功率 ( )i/At/s 0.20.40-55i/A50-50.20.4t/s A0.25P B0.5P CP D2P7.图中两交变电流通过相同的电阻R。求:（1） 分别写出它们的有效值、周期和频率。（2） 计算它们在R上产生的功率之比.8.如图甲为电热毯的电路示意图。电热毯接在u=311sin100t（V）的电源插座上。电热毯被加热到一定程度后，

11、由于装置P的作用，使加在电热丝ab两端的电压变为如图乙所示的波形，从而进入保温状态。若电热丝电阻保持不变，此时图甲中交流电压表读出交流电的有效值是（ ）A156V B220V C311V D110V9一矩形线圈，面积是0.05m2，共100匝，线圈电阻为2，外接电阻为R=8，线圈在磁感应强度为T的匀强磁场中以300r/min的转速绕垂直于磁感线的轴匀速转动，如图所示，若从中性面开始计时，求：（1）线圈中感应电动势的瞬时值表达式。（2）线圈从开始计时经1/30s时，线圈中电流的瞬时值。（3）外电路电阻R两端电压的瞬时值表达式。10.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。设线圈ab边长为20cm，ad边长

12、为10cm，磁感应强度 B=0.01T，线圈的转速n=50r/s，求：电动势的最大值及对应的线圈位置。6、 电感和电容对交变电流的影响1. 电感器对交变电流的影响1) 实验演示，如图所示的实验：实验现象：双刀双掷开关与交流电源相接时比与直流电源相接时要暗。2) 实验现象的本质交变电流通过线圈时，由于电流时刻都在变化，所以自感现象就不断的发生，而自感电动势总是要阻碍电流变化的，这就是线圈的自感对交流电流的阻碍作用。3) 感抗1 概念：电感器对交流的阻碍作用大小用感抗（X）L来表示。单位：欧（）。自感系数大感抗大2 影响感抗大小的因素交流频率自感系数因素影响感抗自感系数小感抗小频率低感抗小频率高感

13、抗大 【拓展】感抗公式。XL=2fL中，XL表示感抗，f表示交变电流的频率，L表示线圈的自感系数（L的大小取决于线圈本身的性质，即线圈的匝数、横截面积、有无铁芯等因素）。从公式中可以看出f、L越大，感抗XL就越大；f、L越小，感抗XL就越小。当f=0即为直流时，感抗为0.4）电感线圈的两种类型区别类型低频扼流圈(甲）高频扼流圈（乙）自感系数较大较小感抗大小较大较小作用通直流、阻交流通直流，通低频，阻高频【提醒】电感线圈通直流、阻交流的原因电感对交变电流有阻碍作用，是因为交变电流通过电感线圈时，电流时刻改变，电感线圈中必然产生自感电动势来阻碍电流的变化，形成对电流的阻碍作用；由于直流不发生变化，

14、所以电感对直流没有这样的阻碍作用。 2.电容器对交变电流的影响1) 实验演示，如图所示双刀双掷开关与直流电源相接时，灯泡不亮，与交流电源相接时，灯泡亮了。 ：电容器的两极板间是绝缘介质，为什么交流电能够通过呢？ 2) 原因分析：在交变电压的作用下，当电源电压升高时，电容器充电，电荷向电容器的极板上集聚，形成充电电流；当电源电压降低时，电容器放电，电荷从电容器的极板上放出，形成放电电流电容器交替进行充电和放电，电路中就有了持续的交变电流，表现为交流“通过”了电容器3) 容抗1 概念电容器对电流阻碍作用的大小用容抗（XC）来表示。单位：欧（）。电容大容抗小2 影响容抗大小的因素交流频率电容大小因素

15、影响容抗电容小容抗大频率低容抗大频率高容抗大 电容器的电容（C）、交流电的频率（f）C越大、f越高，XC越小3 决定容抗大小的因素“通高频，阻低频”“通交流，隔直流”电容器的特性：4 4） 电容器的应用：1 隔直电容：隔直流，通交流2 高频旁路电容：通高频，阻低频习题：1.关于电感对交变电流的影响，下列说法中正确的是A.电感不能通直流电流，只能通交变电流B.电感对各种不同频率的交变电流的阻碍作用相同C.同一只电感线圈对频率低的交变电流的阻碍较小D.同一只电感线圈对频率高的交变电流的阻碍较小.2.如图所示，白炽灯和电容器串联后接在交变电源的两端，当交变电源的频率增加时A.电容器电容增大B.电容器

16、电容减小C.电灯变暗 D.电灯变亮3.两个相同的灯泡L1和L2，分别与两个相同的电容器C1和C2连接，如图所示.图中甲电路两端加恒定电压U1，乙电路两端加最大值1.2U1的正弦交变电压U2，则此两灯的发光情况是A.L1灯比L2灯亮B.L1灯发光，L2灯不发光C.L1灯不发光，L2灯发光D.两灯亮度相同4. 下列关于低频扼流圈和高频扼流圈对交流电的阻碍作用的说法中，正确的有(多选题)A.低频扼流圈对低频交流电有很大的阻碍作用，对高频交流电的阻碍作用就更大B.低频扼流圈对低频交流电有很大的阻碍作用，对高频交流电的阻碍作用就较小C.高频扼流圈对高频交流电有很大的阻碍作用，对低频交流电的阻碍作用就更大

17、D.高频扼流圈对高频交流电有很大的阻碍作用，对低频交流电的阻碍作用就较小5.对电容器能通交变电流的原因，下列说法中正确的有（多选题）A.当电容器接到交流电源上时，因为有自由电荷通过电容器，电路中才有交变电流B.当电容器接到交流电源上时，电容器交替进行充电和放电，电路中才有交变电流C.在有电容器的交流电路中，没有电荷定向移动D.在有电容器的交流电路中，没有电荷通过电容器6.一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接，如图所示一块铁插进线圈之后，该灯将 A变亮 B变暗 C对灯没影响 D无法判断7.如图所示，接在交流电源上的电灯泡正常发光，以下说正确的是（多选题）A把电介质插入电容器，灯泡变亮B

18、增大电容器两极板间的距离，灯泡变亮C减小电容器两极板间的正对面积，灯泡变暗D使交变电流频率减小，灯泡变暗8.如图所示，把电阻R，电感线圈L，电容C并联，接到一个交流电源上，三个电流表示数相同，若保持电源电压大小不变，而将电源频率增大，则三个电流表示数I1、I2、I3的关系是 A、I1=I2=I3B、I1>I2>I3C、I2>I1>I3D、I3>I1>I26、 变压器1. 几种常见的变压器 2. 变压器的构造2） 构造：1 闭合铁芯 （绝缘硅钢片叠合而成）2 原线圈（初级线圈）：其匝数用n1表示3 副线圈（次级线圈）：其匝数用n2表示4 输入电压：U1; 输出

19、电压：U2.副线圈原线圈1) 示意图 n2n1U1n2U2 问题1：变压器副线圈和原线圈电路是否相通？答：变压器原副线圈不相通问题2：变压器原副线圈不相通，那么在给原线圈接交变电压U1后，副线圈电压U2是怎样产生的？答：欲知答案，请看下页分解。n1n2n2n1铁芯与线圈互相绝缘3）电路图中符号 思考：若给原线圈接直流电压U1，副线圈电压U2 ？答：U20变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能（U1、I1）到磁场能（变化的磁场）再到电能（ U2、I2）转化。铁芯副线圈原线圈 U1U2n1n23.变压器工作原理-互感现象 【拓展】理想变压器I1I2n1n2U1U2如果在能量转化的过程中能量损失

20、很小，能够略去原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的变压器我们称之为理想变压器。这是物理学中又一种理想化模型。无铜损、铁损、磁损 4. 理想变压器的变压规律E1=n1原副线圈中产生的感应电动势分别是：E2=n2 U1=E1 U2=E2 若不考虑原副线圈的内阻有理想变压器的变压规律理想变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数之比n2 >n1 U2>U1 -升压变压器n2 <n1 U2 <U1 -降压变压器 5. 理想变压器的变流规律1) 理想变压器输出功率应等于输入功率：即P出= P入，U1I1=U2I2， 注意：此公式只适用于一个副线圈的变压器2) 理想变压器原副线圈的电流跟它们的匝数成反比 U2U1ABP6. 几种常用的变压器1) 自耦变压器升压变压器降压变压器 自耦变压器的原副线圈共用一个线圈U1U2n1n2n1n2U1U2 2) 互感器使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数使用时把原线圈与电路并联，原线圈匝数多于