交变电流是怎样产生的 课件(鲁科版选修3-2)

3.2交变电流是怎样产生的1．认识交流发电机，了解交流发电

机的结构。2．掌握交变电流的变化规律，熟悉

正弦交变电流的瞬时值表达式和

图像。知道中性面的概念。3．能灵活运用正弦交变电流的图像

和三角函数表达式解决问题。一、交流发电机

1．原理闭合导体与磁极之间做

。穿过闭合导体的

发生变化。

2．构造线圈(电枢)和

两部分。相对运动磁通量磁极3．分类两种类型转子定子特点旋转电枢式

磁极电压低，功率小旋转磁极式

电枢电压高，功率大磁极电枢二、交变电流的产生原理和变化规律

1．产生原理

(1)条件：在匀强磁场中，矩形线圈绕

的轴匀速转动。

(2)特殊位置特点：①中性面：线圈平面与磁感线

，线圈经过中性面时，感应电动势、感应电流

。垂直于磁场方向垂直为零②与中性面垂直时：线圈的感应电动势、感应电流

。

(3)电流方向变化：线圈每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次；线圈每转动一周，经过中性面

，感应电流的方向改变

。最大2次2次Emsin

ωtImsin

ωtUmsin

ωt(2)图像描述如图所示。[试身手·夯基础]1．线圈垂直于磁感线时的位置叫________，此时穿过线圈平面的磁通量________，产生的电动势________。答案：中性面最大为零2．矩形线圈在匀强磁场中以角速度ω匀速转动，如果从中性面开始计时，经时间t后，线圈平面转过的角度θ＝________，瞬时感应电动势e＝________________，感应电流为i＝_________________。此交流电通过一段导体时，导体两端的电压u＝________________。答案：ωt

Emsin

ωt

Imsin

ωt

Umsin

ωt3．关于中性面，下列说法错误的是(

)A．中性面就是穿过线圈的磁通量为零的面B．中性面就是线圈中磁通量变化率为零的面C．线圈过中性面时，电流方向必改变D．中性面就是线圈内感应电动势为零的面解析：线圈转至中性面时，线圈平面与磁感线垂直，所以此时穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率为零，感应电动势为零，电流方向改变。答案：A4．如图3－2－2甲所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时(如图乙)为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正。则图3－2－3所示四幅图中正确的是(

)图3－2－2图3－2－3

1．推导正弦交变电流瞬时值的表达式设线圈从中性面起经时间t转过角度θ，则θ＝ωt。此时两边ab、cd速度方向与磁感线方向的夹角分别为ωt和180°－ωt，如图3－2－4所示，它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势为：图3－2－42．交变电流的变化规律(1)e＝Emsin

ωt；(2)i＝Imsin

ωt；(3)u＝Umsin

ωt。

[名师点睛]其中交流电动势的峰值Em，由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度ω及线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关，因此图3－2－5所示几种情况，若n、B、S、ω相同，则电动势的峰值相同。图3－2－6答案：

(1)e＝375sin5πtV

(2)375V交变电流瞬时表达式问题的破解程序：(1)观察线圈的转动轴是否与磁感线垂直；(2)从中性面开始计时，电动势是按正弦规律变化；从线圈转到与磁感线平行时开始计时，电动势是按余弦规律变化；(3)计算电动势最大值和角速度ω，写出电动势的瞬时表达式。

1．图像意义反映了交变电流的电流(电压)随时间变化的规律，如图3－2－7所示。

2．通过图像可了解到信息最大值、周期、频率。图3－2－73．特殊位置(时刻)物理量的特点两个位置比较内容中性面中性面的垂直面图示时刻k·T/2(k＝0,1,2…)k·T/4(k＝1,3,5…)两个位置比较内容中性面中性面的垂直面位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大零磁通量变化率零最大感应电动势零最大电流方向改变不变

2．一矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时，产生的交变电动势的图像如图3－2－8所示，则

(

)A．交流电的频率是4πHzB．当t＝0时，线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大图3－2－8答案：

B对物理图像需掌握的要点：一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”。二变：掌握“图与图”、“图与式”、“图与物”之间的变通。三判：在此基础上进行正确的分析、判断。

(1)电路中感应电动势的最大值和有效值。

(2)电路中交流电压表和电流表的示数。

(3)线圈从图示位置转过90°的过程中通过电阻R的电荷量。

[思路点拨]交变电流的最大值只是一个瞬间值，对产生焦耳热无直接影响，起决定作用的是有效值。计算电荷量时要用电流的平均值。在交变电流的电路中，电压、电流以及热量和功率都用有效值计算，电压表和电流表的示数都是指有效值，而耐压值是指最大值，电路中通过的电荷量用平均值计算。1.(对应要点一)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，线圈平面与纸面重合(如图3－2－10所示)，线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则在图3－2－11中能反映线圈中感应电流i随时间t变化的图像是

(

)图3－2－10图3－2－11解析：由右手定则或者楞次定律可以确定开始时刻感应电流的方向为a→b→c→d→a，跟规定的正方向相同，而且该时刻感应电流最大，故选C。答案：C2．(对应要点二)在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图3－2－12甲所示，产生的交变电动势的图像如图乙所示，则

(

)图3－2－12A．t＝0.005s时线框的磁通量变化率为零B．t＝0.01s时线框平面与中性面重合C．线框产生的交变电动势的有效值为311VD．线框产生的交变电动势的频率为100Hz答案：B图3－2－133．(对应要点三)如图3－2－13所示，一个小型旋转电枢式交流发电机，其矩形线圈的长度为a，宽度为b，共有n匝，总电阻为r，与线圈两端相接触的集流环上接有一个阻值为R的定值电阻，线圈以角速度ω在磁感应强度为B的匀强磁场中绕与磁场方向垂直的对称轴OO′匀速运动，沿转轴OO′方向看去，线圈转动沿逆时针方向，t＝0时刻线圈平面与磁感线垂直。(1)表示出线圈经过图示位置时，线圈中的感应电流的方向。(2)写出线圈转动过程中感应电动势的瞬时值表达式。(3)求线圈从t＝0位置开始到转过90°的过程中的平均电动势。(4)求线圈从t＝0位置开始到转过60°时的瞬时电流。答案：见解析

(1)中性面磁通量虽然最大，但该位置磁通量变化率为零，从而瞬时电动势为零。该位置是电流方向发生变化的位置。

(2)Em＝nBSω虽由矩形线圈求得，但对任何形状的线圈都适用，条件是转轴垂直于磁感应强