电工技术应用 项目5 变压器的认识与检测

宁乡市职业中专学校精品系列课程《电工技术应用》项目5变压器的认识与检测主讲：肖义军变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，是电力系统、电子线路和电工测量中十分重要的电气设备，主要功能有电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。本项目以变压器的认识与检测为目标，重点介绍变压器的基本结构、工作原理和检测方法。5.1项目描述5.2知识准备5.2.1电流的磁效应任务导引磁极之间具有怎样的力，它们是通过什么传递的呢？通电导体周围能否产生磁场，我们又将如何进行判别？5.2知识准备5.2.1电流的磁效应一、磁场与磁感线做中学、做中教按图5－1所示方式，用条形磁铁接近小磁针，观察小磁针的运动规律。用条形磁铁N极去接近小磁针N极，小磁针被排斥出现旋转；用条形磁铁S极去接近小磁针N极，小磁针被吸引出现旋转。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应一、磁场与磁感线两个磁极虽没有发生接触，但相互之间产生了作用力，这个力就是磁力。磁力不是在磁极之间直接发生，而是通过磁场进行传递。也就是说磁极在自己周围的空间里产生了磁场，磁场对处在它其中的磁极具有磁场力的作用。磁场和电场一样，也是一种特殊物质，具有力和能的性质。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应二、磁场的方向和磁感线把小磁针放在磁场中的任一点，可以看到小磁针受磁场力的作用，静止时它的两极不再指向南北方向，而指向一个别的方向。在磁场中的不同点，小磁针静止时指的方向一般并不相同。这说明，磁场具有方向性。一般规定，在磁场中的任一点，小磁针N极受力的方向，亦即小磁针静止时N极所指的方向，就是那一点的磁场方向，如图5-2所示。在磁场中可以利用磁感线来形象地表示各点的磁场方向。所谓磁感线，就是在磁场中画出的一些曲线，在这些曲线上每一点的切线方向，都跟该点的磁场方向相同。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应三、电流的磁场1820年，丹麦物理学家奥斯特做过下面的实验：把一条导线平行地放在磁针的上方，给导线通电，磁针就会发生偏转，如图5-3所示。结论：电流也能产生磁场，电和磁有着密切联系。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应三、电流的磁场直线电流的磁场如图5-4所示。直线电流磁场的磁感线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与导线垂直的平面上。判定方法：直线电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则（也称为右手螺旋法则）来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指的方向跟电流方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应三、电流的磁场图5-5所示是环形电流的磁场。环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴线上，磁感线和环形导线的平面垂直。判定方法：环形电流的方向跟它的磁感线方向之间的关系可以用安培定则来判定：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上磁感线的方向。5.2知识准备5.2.1电流的磁效应三、电流的磁场螺线管通电以后表现出来的磁性，很像一根条形磁铁，一端相当于N极，另一端相当于S极，改变电流方向，它的两极就对调。通电螺线管外部的磁感线和条形磁铁外部的磁感线相似，也是从N极出来进入S极。通电螺线管内部具有磁场，内部的磁感线跟螺线管的轴线平行，方向由S极指向N极，并和外部的磁感线连接，形成一些闭合曲线。判定方法：可用安培定则来判定：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指方向就是螺线管内部磁感线的方向，也就是说，大拇指指向通电螺线管的N极。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量任务导引磁场不仅有方向，而且也有强弱。表示磁场强弱的物理量有哪些，分别是怎样的呢？5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量一、磁感应强度做中学、做中教如图5－7所示，改变电流大小，观察导体摆动幅度有何不同；调节磁铁数量，观察导体摆动幅度有何不同。通过实验发现电流越大，导体摆动幅度越大；磁铁数量越多，导体摆动幅度越大；即磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F与电流I大小、磁场强度和导线长度L有关。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量一、磁感应强度我们把磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F与电流I大小和导线长度L乘积IL的比值称为通电导线在该处的磁感应强度。用B表示。磁感应强度是一个矢量，它的大小如上式所示，它的方向就是该点的磁场方向。它的单位由F、I和L的单位决定，在国际单位制中，它的单位是T（特）。用磁感线的疏密程度也可以形象地表示磁感应强度的大小，在磁感应强度大的地方磁感线就密一些，在磁感应强度小的地方磁感线就疏一些。如果在磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向都相同，这个区域就称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线方向相同，疏密程度也一样，是一些分布均匀的平行直线。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量二、磁通设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，定义磁感应强度B与面积S的乘积，称为穿过这个面的磁通量（简称磁通），如果用Ф表示磁通，那么在国际单位制中，磁通的单位是Wb（韦）。引入了磁通这个概念，反过来也可以把磁感应强度看做是通过单位面积的磁通，因此，磁感应强度也常称为磁通密度，并且用Wb/m2（韦／米2）作单位。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量三、磁导率做中学、做中教通电的空心线圈分别插入铁棒和铜棒，去吸引铁钉，观察吸引力有何不同？实验发现通电的空心线圈插入铁棒比插入铜棒吸引力更大。说明磁场中各点的磁感应强度不仅与电流的大小和导体的长度有关，还与磁场内媒介质的性质有关。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量三、磁导率磁导率就是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，不同的媒介质有不同的磁导率，它的单位为H/m（亨／米）。实验证明，真空中的磁导率是一个常数，用μ0表示，即由于真空中的磁导率是一个常数，所以，将其他媒介质的磁导率与它对比是很方便的。任一媒介质的磁导率与真空中磁导率的比值称为相对磁导率，用μr表示，即5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量三、磁导率根据各种物质导磁性能的不同，可把物质分为三种类型，即反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质。μr<1的物质称为反磁性物质，也就是说，在这类物质中所产生的磁场要比真空中弱一些。μr>1的物质称为顺磁性物质，也就是说，在这类物质中所产生的磁场要比真空中强一些。铁磁性物质μr1，而且不是一个常数，在其他条件相同的情况下，这类物质中所产生的磁场要比真空中的磁场强几千倍甚至几万倍，因而在电工技术方面应用甚广。铁、钢、钴、镍及某些合金都属于这一类物质。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量三、磁导率顺磁性物质和反磁性物质的相对磁导率都接近于l，因而除铁磁性物质外，其他物质的相对磁导率都可认为等于l，并称这些物质为非铁磁性物质。表5—1列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。5.2知识准备5.2.2磁场的主要物理量四、磁场强度既然磁场中各点磁感应强度的大小与媒介质的性质有关，这就使磁场的计算变得比较复杂。因此，为了使磁场的计算简单，常用磁场强度这个物理量来表示磁场的性质。磁场中某点的磁感应强度B与媒介质磁导率μ的比值，称为该点的磁场强度，用H来表示，即磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，它的单位为A/m（安／米）。磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，它的单位为A/m（安／米）。磁场强度也是一个矢量，在均匀的媒介质中，它的方向和磁感应强度的方向一致。在国际单位制中，它的单位为A/m（安／米）。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力任务导引电动机的运转，指针式仪表的偏转，都是靠磁场对通电导线产生的作用力。那么，磁场对通电导线的作用力大小如何计算，方向又如何判断呢？5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力把一小段通电导线垂直放入磁场中，根据通电导线受的力F、导线中的电流I和导线长度L定义了磁感应强度论。把这个公式变形，就得到磁场对通电导线的作用力公式为严格来说，式（5-6）只适用于一小段通电导线的情形，导线较长时，导线所在处各点感应强度B一般并不相同，就不能应用式(5-6)。不过，如果磁场是匀强磁场，式（5－6）就适用于长的通电导线了。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力如果电流方向与磁场方向不垂直，即电流方向与磁场方向间有一夹角时，可以把磁感应强度B分解为两个分量：一个是跟电流方向平行的分量，其大小为B1=Bcosθ，另一个是跟电流方向垂直的分量，其大小为B2=Bsinθ，如图5-8所示。前者对通电导线没有作用力，通电导线受到的作用力完全是由后者决定的，即F=B2IL，代入B2=Bsinθ，即得式中，B表示匀强磁场的磁感应强度，单位是特[斯拉]，符号T；I表示载流直导线的电流，单位是安[培]，符号A；L表示导线在磁场中的有效长度，单位是米，符号m；θ表示载流直导线与磁感线的夹角，单位是度，符号（°）；F表示导体所受的磁力，牛[顿]，符号N。这就是电流方向与磁场方向成某一角度时作用力的公式。从式(5-7)可以看出：θ＝时，力F最大；电流方向越偏离与磁场相垂直的方向，即θ越小，力F也越小；当θ=0时，力F最小，等于零。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力磁场力的方向和磁场方向及电流方向均是垂直的，可用左手定则来判定：如图5－9所示，伸出左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁感线垂直进入手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在的平面与磁感线和导线所在的平面垂直，大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中受力的方向。5.2知识准备5.2.3磁场对通电导线的作用力【例5－1】在磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，有一长度为60cm的导线，导线中的电流为10A，导线与磁感线的夹角分别为0°、30°和90°，求导线各受多在的力。解：载流直导线在磁场中受力的大小为：F=BILsinθ5.2知识准备5.2.4电磁感应现象任务导引任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场。反过来磁场可不可以用来产生电流呢？怎样才能产生电流呢？5.2知识准备5.2.4电磁感应现象做中学、做中教按图5－10所示连接实物，让导体AB在磁场中向前或向后运动，观察电流计的指针偏转情况。让导体AB在磁场中静止、向上或向下运动，观察电流计的指针偏转情况。导体AB在磁场中向前或向后运动时，电流计的指针向左或向右发生偏转，说明电路中产生了电流。导体AB在磁场中静止、向上或向下运动时，电流计的指针不偏转，说明电路中没有产生电流。结论：导体AB向前或向后运动，切割了磁感线；导体AB静止、向上或向下运动，没有切割磁感线。可见，只要闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动，电路中就会产生电流。5.2知识准备5.2.4电磁感应现象做中学、做中教按图5-11所示连接实物，将磁铁插入线圈，观察电流计指针偏转情况。将磁铁从线圈中抽出，观察电流计指针偏转情况。将磁铁插入线圈，电流计指针向左或向右发生偏转；而将磁铁从线圈中抽出，电流计指针向右或向左发生偏转。这说明闭合电路中产生了电流。但如果磁铁插入线圈后静止不动，电流表指针也不偏转，说明闭合电路中没有电流。结论：线圈不动，磁铁相对线圈运动，同样产生了导体切割磁感线运动，电路就会产生电流。5.2知识准备5.2.4电磁感应现象做中学、做中教按图5-12所示连接实物，观察开关闭合和断开瞬间及闭合和断开后电流计指针偏转情况；闭合开关一小段时间后（电流计指针无偏转），调大和调小变阻器阻值，观察电流计指针偏转情况。闭合开关一小段时间后（电流计指针无偏转），调大或调小变阻器阻值，电流计指针也将发生相反方向的偏转，说明线圈B中产生了电流。结论：在导体和磁场不发生相对运动的情况下，只要穿过闭合电路的磁通（磁感线多少）发生变化，闭合电路中就会产生电流。开关闭合和断开瞬间，电流计指针将发生相反方向的偏转，说明线圈B中产生了电流；而开关闭合和断开一段时间后，电流计指针不偏转，说明线圈B中没有电流。5.2知识准备5.2.5感应电流的方向任务导引在电磁感应现象实验中，我们发现导体向前和向后运动、磁铁的插入和拔出运动、开关的闭合和断开、电阻器的调大和调小，电流计指针都是往不同方向运动。这说明感应电流的方向是不同的。那么，感应电流方向有什么规律呢？我们又如何来确定感应电流方向呢？5.2知识准备5.2.5感应电流的方向一、右手定则感应电流的方向可由右手定则来判断。即伸开右手，让大拇指和其余四指在同一平面内，大拇指和其余四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，大拇指指向导体的运动方向，四指所指的方向就是感应电流的方向，如图所示。左手定则与右手定则使用区别：属于电磁感应现象的问题，即机械能转换为电能应用右手定则；属于磁场对电流作用的问题，即电能转换为机械能应用左手定则；简记为左马达右发电。5.2知识准备5.2.5感应电流的方向二、楞次定律当磁铁插入或抽出线圈时，线圈由于产生感应电流而具有磁性，磁铁和线圈之间必然要发生相互作用。从能量守恒定律可以断定，这个相互作用总是要阻碍磁铁的运动。也就是说，当磁铁插入线圈的时候要受到排斥，这时在线圈靠近磁铁的一端出现同性磁极，如图所示；当磁铁抽出线圈的时候要受到吸引，这时在线圈靠近磁铁的一端出现异性磁极，如图所示。5.2知识准备5.2.5感应电流的方向二、楞次定律应用楞次定律判定感应电流方向的具体步骤：首先要明确原来磁场的方向，以及穿过闭合电路的磁通是增加还是减少。然后根据楞次定律确定感应电流的磁场方向，即穿过线圈的磁通增加时，感应电流的磁场方向跟原来磁场的方向相反，阻碍磁通的增加；穿过线圈的磁通减少时，感应电流的磁场方向跟原来磁场的方向相同，阻碍磁通的减少。最后利用安培定则来确定感应电流的方向。感应电流的方向，总是要使感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通的变化，这就是楞次定律，它是判断感应电流方向的普遍规律。5.2知识准备5.2.6电磁感应定律任务导引在电磁感应实验中，闭合回路中均产生了感应电流，导体必然产生了感应电动势。产生感应电动势的导体就是一个电源，那么，感应电动势的大小将由哪些因素决定呢？5.2知识准备5.2.6电磁感应定律一、切割磁感线时的感应电动势如图所示，当处在匀强磁场B中的直导线L以速度ν垂直于磁场方向作切割磁感线运动时，导线中便产生感应电动势，其表达式为感应电动势方向也可由右手定则确定，即四指所指方向既是感应电流方向，也是感应电动势的正极，如图所示。式中，e表示导体中的感应电动势，单位为V；B表示匀强磁场的磁感应强度，单位为T；L表示磁场中导体的有效长度，单位为m；ν表示导体的运行速度，单位为m／s。5.2知识准备5.2.6电磁感应定律二、电磁感应定律在电磁感应实验中可知，线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通的变化率成正比，即穿过线圈的磁通变化越快，产生的感应电动势越大；穿过线圈的磁通变化越慢，产生的感应电动势越小；磁通不变化时，感应电动势为零。这一变化规律称为法拉第电磁感应定律。式中，Φ表示磁通，单位为Wb；t表示时间，单位为s；e表示感应电动势，单位为V。感应电动势为5.2知识准备5.2.6电磁感应定律二、电磁感应定律如果同一变化的磁通量穿过N匝线圈，则线圈中产生的感应电动势为感应电动势的方向可用安培定则确定，即四指所指方向既是感应电流方向，也是感应电动势的正极。式中，NΦ表示磁通与线圈匝数的乘积，通常称为磁链，用表示。5.2知识准备5.2.7自感和互感任务导引线圈在什么情况下会产生感生电动势？感生电动势大小由哪些因素决定？具有多大的磁场能量？5.2知识准备5.2.7自感和互感一、自感现象、自感系数和自感电动势按图连接电路，R1阻值等于L1的直流电阻。闭合开关S，观察LED1和LED3发光情况。断开开关S，观察LED2和LED3发光情况。在实验中，我们发现闭合开关S，LED1立即发光，而LED3比LED1慢发光。断开开关S后LED2和LED3能继续发光一小段时间。做中学、做中教1.自感现象5.2知识准备5.2.7自感和互感一、自感现象、自感系数和自感电动势为什么会出现上述情况呢？原来，在接通电路的瞬间，电路中的电流增大，穿过线圈L1的磁通也随着增加。根据电磁感应定律，线圈中必然会产生感应电动势，这个感应电动势阻碍线圈中电流的增大，所以，LED3比LED1慢发光。在电路断开的瞬间，通过线圈的电流突然减弱，穿过线圈的磁通也就很快地减少，在线圈中产生感应电动势。虽然这时电源已经断开，但线圈L1、LED2和LED3组成了闭合电路，在这个电路中有感应电流通过，所以，LED2和LED3不会立即熄灭。结论：当通过线圈的电流发生变化时，它所产生的磁场也要发生变化，通过线圈本身的磁通也在变化，线圈本身就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中电流的变化。像这种由于线圈本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，称为自感现象，简称自感。在自感现象中产生的感应电动势，称为自感电动势。5.2知识准备5.2.7自感和互感当同一电流i通过结构不同的线圈时，所产生的自感磁链各不相同。为了表明各个线圈产生自感磁链的能力，将线圈的自感磁链与电流的比值称为线圈的自感系数（或称为自感量），简称电感，用符号L表示，即上式中，L表示一个线圈通过单位电流所产生的磁链。自感系数的单位是H（亨），常用较小的单位mH（毫亨）和μH（微亨）。换算关系是：1H=103mH=106μH。当电流通过回路时，在回路内就要产生磁通，称为自感磁通，用符号ФL表示。当电流通过匝数为N的线圈时，线圈的每一匝都有自感磁通穿过，如果穿过线圈每一匝通过的磁通都一样，那么，这个线圈的自感磁链为2.自感系数5.2知识准备5.2.7自感和互感式中，ΔiL表示线圈中电流的变化量，单位A；Δt表示线圈中电流变化了ΔiL所用的时间，单位S；L表示线圈的自感系数，单位H；eL表示自感电动势，单位V；负号表示自感电动势总是企图阻止原电流的变化。根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生的自感电动势为3.自感电动势5.2知识准备5.2.7自感和互感二、互感现象、互感系数和互感电动势在图所示的电磁感应现象实验中我们发现：开关闭合和断开瞬间或闭合开关一小段时间后（电流计指针无偏转），调大和调小变阻器阻值，电流计指针都将发生相反方向的偏转，说明线圈A中的电流产生变化后，线圈B中产生了感应电动势，这种现象称为互感现象，产生的感应电动势，称为互感电动势。1.互感现象5.2知识准备5.2.7自感和互感假如两个线圈或回路靠得很近，当第一个线圈中有电流i1通过时，它所产生的自感磁通Ф11，必然有一部分要穿过第二个线圈，这一部分磁通称为互感磁通，用Ф21表示，它在第二个线圈上产生互感磁链ψ21（ψ21=NФ21），同样，当第二个线圈通有电流i2时，它所产生的自感磁通Ф22也会有一部分要穿过第一个线圈，形成Ф12，产生互感磁链ψ12（ψ12=NФ12）。2.互感系数5.2知识准备5.2.7自感和互感在两个有磁交链（耦合）的线圈中，互感磁链与产生此磁链的电流比值，称为这两个线圈的互感系数（或互感量），简称互感，用符号M表示，即2.互感系数由式可知，两个线圈中，当其中一个线圈通有1A电流时，在另一线圈中产生的互感磁链数，就是这两个线圈之间的互感系数。互感系数的单位和自感系数一样。通常互感系数只和这两个回路的结构、相互位置及媒介质的磁导率有关，而与回路中的电流无关。只有当媒介质为铁磁性材料时，互感系数才与电流有关。5.2知识准备5.2.7自感和互感对于两个靠得很近的线圈，设两线圈的互感系数M为常数,第一个线圈的电流i1发生变化，将在第二个线圈中产生的互感电动势为3.互感电动势同理可得，第二个线圈的电流i2发生变化，在第一个线圈中产生的互感电动势为上式说明，线圈中的互感电动势，是与互感系数和另一线圈中电流的变化率的乘积成正比。互感电动势的方向，可用楞次定律判定。5.2知识准备5.2.7自感和互感1.磁场能量和电场能量在电路中的转化都是可逆的。例如，随着电流增大，线圈的磁场增强，储存的磁场能量就增多；随着电流减小，磁场减弱。磁场能量通过电磁感应的作用，又能转化为电能。因此，线圈和电容器一样都是储能元件，而电阻器是耗能元件。三、磁场能量2.磁场能量的计算公式，在形式上和电场能量的计算公式相似。根据理论推导，线圈的磁场能量WL，可用下式计算式中，L的单位为H，I的单位为A，WL的单位为J。当线圈通有电流时，线圈中就要储存磁场能，通过线圈的电流越大，储存的能量也越多，通电线圈从外界吸收能量；在通有相同电流的线圈中，电感越大的线圈储存的能量越多，因此，线圈的电感就反映它储存磁场能量的能力。5.2知识准备5.2.8正弦交流电任务导引在我们的生产生活中，除用到直流电外，很多情况下还用到了交流电。那么，交流电是如何产生的呢？我们将用怎样的物理量和表示法来表示交流电呢？5.2知识准备5.2.8正弦交流电一、正弦交流电的产生将手摇发电机和电流计按图连接。匀速手摇发电机，观察电流计指针偏转情况与线圈位置在磁场位置的关系。通过手摇发电机，我们发现：电流计指针随着线圈的转动而摆动，并且线圈每转一周，指针左右摆动一次；线圈由水平面旋转垂直面时偏转角度由大变小，而线圈由垂直面旋转水平面时偏转角度由小变大。做中学、做中教5.2知识准备5.2.8正弦交流电交流电发电机产生正弦交流电的过程和对应的波形如图5-18所示。5.2知识准备5.2.8正弦交流电1.线圈平面垂直于磁感线，如图所示，ab、cd边此时速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势，没有感应电流。这时线圈平面所处的位置叫中性面。中性面的特点：线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，感应电动势最小为零，感应电流为零。根据波形发现，交流发电机产生的电动势是按正弦规律变化，因此称为正弦交流电。2.当线圈平面逆时针转过90°时，如图所示，即线圈平面与磁感线平行时，ab、cd边的线速度方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大。3.再转过90°时，如图所示，线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势。4.当线圈再转过90°时，如图所示位置，ab、cd边的瞬时速度方向，跟线圈经过图所在位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向跟图所在位置相反。5.再转过90°线圈处于起始位置，如图所示，与图所示位置相同，线圈中没有感应电动势。5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量根据定义，周期与频率是互为倒数关系，即1.周期和频率交流电完成一次周期性变化所用的时间，叫做周期。也就是线圈匀速转动一周所用的时间。用T表示，单位是S（秒）。在图中，横坐标轴上0到T的这段时间就是一个周期。交流电在单位时间（1S）完成得周期性变化的次数，叫做频率。用字母f表示，单位是赫[兹]，符号为Hz。常用单位还有千赫（kHz)和兆赫（MHz)，换算关系如下：5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量我国工农业生产和生活中用的交流电，周期是0.02S，频率是50Hz，习惯上称为“工频”。世界各国所采用的交流电频率并不相同，例如：美国、日本采用的市电频率均为60Hz。周期与频率都是反映交流电变化快慢的物理量。周期越短、频率越高，交流电变化越快。交流电变化的快慢，除了用周期和频率表示外，还可以用角频率表示。通常交流电变化一周可用2π弧度或360°来计量。那么，单位时间内变化的角度（电角度），叫做角频率，用ω表示，单位是rad/s(弧度/秒)。角频率与频率和周期的关系是5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量2.最大值和有效值正弦交流电的大小和方向随时间按正弦规律变化，正弦交流电在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来表示正弦交流电变化的范围，称为交流电的最大值，又称振幅、幅值或峰值。交流电的有效值是根据电流的热效应来规定的。让一个直流电流与一个交流电流分别通过阻值相等的电阻，如果通电的时间相同，电阻R上产生的热量也相等，那么直流电的数值叫做交流电的有效值。例如，在同一时间内，某一交流电通过一段电阻产生的热量，跟3A的直流电通过阻值相同的另一电阻产生的热量相等，那么，这一交流电流的有效值就是3A。交流电动势和电压的有效值同样可以用这种方法确定。5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量通常用Em、Um、Im分别表示交流电的电动势、电压和电流的最大值，用E、U、I分别表示交流电的电动势、电压和电流的有效值。理论和实验都可以证明，正弦交流电的最大值是有效值的倍，即5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量有效值和最大值是从不同角度反映交流电流强弱的物理量。通常所说的交流电的电流、电压、电动势的值，不作特殊说明的都是有效值。例如，市电电压是220V，是指其有效值为220V。值得注意的是，在选择电器的耐压时，必须考虑电压的最大值；选择最大允许电流时，同样也是考虑电流的最大值。例如：耐压为220V的电容，不能接到电压有效值为220V的交流电路上，因为电压的有效值为220V，对应最大值为311V，会使电容器因击穿而损坏。5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量3.相位和相位差t=T时刻线圈平面与中性面的夹角为ωt+φ0，叫做交流电的相位。相位是一个随时间变化的量。当t=0时，相位φ=φ0，φo叫做初相位（简称初相），它反映了正弦交流电起始时刻的状态。注意：初相的大小与时间起点的选择有关，习惯上初相用绝对值小于π的角表示。相位的意义：相位是表示正弦交流电在某一时刻所处状态的物理量，它不仅决定瞬时值的大小和方向，还能反映出正弦交流电的变化趋势。5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量两个同频正弦交流电，任一瞬间的相位之差就叫做相位差，如图5-19所示，用符号Δφ表示。即相位差是指两者的初相之差，它不会随时间改变而改变。两个频率相同的交流电，如果它们的相位相同，即相位差为零，就称这两个交流电为同相的。它们的变化步调一致，总是同时到达零和正、负最大值，它们的波形如图5-20(a)所示。5.2知识准备5.2.8正弦交流电二、正弦交流电的基本物理量两个频率相同的交流电，如果相位差为180°，就称这两个交流电为反相。它们的变化步调恰好相反，一个到达正的最大值，另一个恰好到达负的最大值；一个减小到零，另一个恰好增大到零，它们的波形如图5-20(b)所示。有效值（或最大值）、频率（或周期、角频率）、初相是表征正弦交流电的三个重要物理量，故称之为正弦交流电的三要素。图5-21表示两个频率相同，但初相不同的交流电，且φ01>φ02。从图中可以看出，它们的变化步调不一致，e1比e2先到达正的最大值、零或负的最大值。这时说e1比e2超前φ，或者e2比e1滞后φ。5.2知识准备5.2.8正弦交流电三、正弦交流电的表示法1.解析式表示法正弦交流电的电动势、电压和电流的瞬时值表达式就是交流电的解析式，即【例5－1】已知有一正弦交流电压的最大值Um=310V，频率f=50Hz，初相φuo=300，则它的解析式为u=Umsin(ωt+φuo)=310sin(100t+300)Vt=0.01S瞬时的电压瞬时值为u=310sin(+300)V=310sin2100V=-155V5.2知识准备5.2.8正弦交流电2.波形图表示法图中的横坐标表示时间t或角度ωt，纵坐标表示随时间变化的电动势、电压和电流的瞬时值，在波形上可以反映出正弦交流电的三要素。5.3任务实现5.3.1认识变压器变压器是利用电磁感应原理工作的电磁装置。它能将某一电压值的交流电变换成同频率所需电压值的交流电，也可以用来改变交流电的电流数值，还可用来阻抗变换或改变相位。在电力系统、自动控制及电子设备中，广泛使用各种类型变压器。变压器图形符号如图5-23所示，T是它的文字符号。一、变压器的用途和种类5.3任务实现5.3.1认识变压器变压器种类很多，按用途可大致分为以下几种：用于输配电系统的电力变压器；用于工业动力系统中直流拖动的专用电源变压器；用于电力系统或实验室等场合的调压变压器；用于测量电压的电压互感器、测量电流的钳形电流表等测量变压器；用于潮湿环境或人体常常接触场合的安全变压器。一、变压器的用途和种类5.3任务实现5.3.1认识变压器变压器主要由铁心和线圈（也叫绕组）两部分组成。铁心构成了变压器的磁路通道。为了减小涡流和磁滞损耗，铁心用磁导率较高而且相互绝缘的硅钢片叠装而成。在频率为50Hz的变压器中，每一硅钢片的厚度约为0.35－0.5mm。通信用的变压器常用铁氧体或其它磁性材料作铁心。按照铁心构造形式，可分为心式和壳式两种。心式铁心成“口”字形，线圈包着铁心；壳式铁心成“日”字形，铁心包着线圈。二、变压器的基本构造5.3任务实现5.3.1认识变压器线圈是变压器的电路部分。线圈用具有良好绝缘的漆包线、纱包线或丝包线绕成。在工作时，与电源相连的线圈叫做原线圈(初级绕组)；而与负载相连的线圈叫做副线圈(次级绕组)。绝缘是变压器制造中的主要问题，线圈的区间和层间都要绝缘良好，线圈和铁心、不同线圈之间更要绝缘良好。为了提高变压器的绝缘性能，在制造时还要进行浸漆、烘烤、灌蜡、密封、去潮等处理。二、变压器的基本构造5.3任务实现5.3.1认识变压器变压器是按电磁感应原理工作的。如果把变压器的原线圈接在交流电源上，在原线圈中就有交流电流流过，交变电流将在铁心中产生交变磁通，这个变化的磁通经过闭合磁路同时穿过原线圈和副线圈。交变的磁通将在线圈中产生感应电动势，因此，在变压器原线圈中产生自感电动势的同时，在副线圈中产生了互感电动势。这时，如果在副线圈上接上负载，那么电能将通过负载转换成其他形式的能，如图所示。三、变压器的工作原理5.3任务实现5.3.1认识变压器1.变换交流电压当变压器的原线圈接上交流电压后，在原、副线圈中通有交变的磁通，若漏磁通略去不计，可以认为穿过原、副线圈的交变磁通相同，因而这两个线圈的每匝所产生的感应电动势相等。设原线圈的匝数是N1，副线圈的匝数是N2，穿过它们的磁通是Φ，那么原、副线圈中产生的感应电动势分别是三、变压器的工作原理由此可得5.3任务实现5.3.1认识变压器如果忽略漏磁通和绕组上的压降，则原、副绕组的电动势近似等于原、副边电压，即三、变压器的工作原理因此得到可见，变压器原、副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比。若K＜1，即N2＞N1，U2就大于U1，变压器使电压升高，这种变压器叫做升压变压器。如果K＞1，即N1＞N2，Ul就大于U2，变压器使电压降低，这种变压器叫做降压变压器。如果K＝1，即N1＝N2，Ul就等于U2，变压器输入输出电压相等，这种变压器叫做隔离变压器。式中，K称为变压比。5.3任务实现5.3.1认识变压器如果忽略漏磁通和绕组上的压降，则原、副绕组的电动势近似等于原、副边电压，即三、变压器的工作原理因此得到可见，变压器原、副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比。若K＜1，即N2＞N1，U2就大于U1，变压器使电压升高，这种变压器叫做升压变压器。如果K＞1，即N1＞N2，Ul就大于U2，变压器使电压降低，这种变压器叫做降压变压器。如果K＝1，即N1＝N2，Ul就等于U2，变压器输入输出电压相等，这种变压器叫做隔离变压器。式中，K称为变压比。5.3任务实现5.3.1认识变压器2.变换交流电流由上面的分析知道，变压器能从电网中获取能量，并通过电磁感应进行能量转换后，再把电能输送给负载。根据能量守恒定律，在不计变压器内部损耗的情况下，变压器输出的功率和它从电网中获取的功率相等P1=P2。根据交流电功率的公式P=Ulcosφ可得，U1I1cosφ1＝U2I2cosφ2。式中，cosφ1是原线