《交变电流的描述》讲义

《交变电流的描述》讲义第三章交变电流的产生与输送3.2交变电流的描述一、交变电流的概念同学们，咱们先来说说啥是交变电流呢？交变电流啊，就是大小和方向都随时间做周期性变化的电流。就好比咱们日常生活中的电，它可不是一直稳定不变的，而是一会儿这样，一会儿那样，像个调皮的小精灵一样变来变去呢。比如说，咱们家里用的电，它的电流大小和方向就在不断地变化。那为啥会这样呢？这就得从发电的原理说起了。咱们都知道发电厂有发电机，发电机转啊转，就产生了交变电流。这就像你骑自行车，脚蹬子不停地转，带动车轮转，这个过程就有点像发电机产生交变电流的过程呢。（一）正弦式交变电流1、定义正弦式交变电流是一种特殊的交变电流，它的电流（或者电压、电动势）随时间按照正弦函数的规律变化。啥是正弦函数呢？咱们数学里学过，就像波浪一样，一会儿高一会儿低，而且是很有规律地变化。这种交变电流在实际生活中应用可广泛了。2、产生那正弦式交变电流是怎么产生的呢？这就和咱们前面提到的发电机有关了。发电机里有线圈，当这个线圈在磁场里转动的时候啊，就会产生正弦式交变电流。这就好比你拿着一个小棍在水里搅和，水就会产生一圈一圈的波纹，这个波纹就有点像正弦式交变电流的变化规律。二、交变电流的描述（一）周期和频率1、周期周期就是交变电流完成一次周期性变化所需要的时间，咱们用字母T来表示。比如说，你看那个时钟，秒针转一圈是60秒，这60秒就是秒针转动的周期。对于交变电流来说，它的周期也是这样一个概念，就是它完成一次完整的变化所需要的时间。我给大家讲个我自己的经历啊。我曾经观察过一个小风扇，这个小风扇的电机用的就是交变电流。我发现这个小风扇的扇叶转动好像是有一定规律的，转一会儿就又回到原来的样子，然后又开始新的一轮转动。这就和交变电流的周期有点像，扇叶转动一圈的时间就有点像交变电流的周期。2、频率频率呢，就是单位时间内完成周期性变化的次数，用字母f表示。频率和周期是有关系的，它们的关系是f=1/T。这就好比你跑步，你跑一圈的时间是T，那你单位时间内跑的圈数就是频率f。比如说，如果一个交变电流的周期是0.02秒，那它的频率就是f=1/0.02=50Hz。咱们国家电网提供的交流电频率就是50Hz呢。这50Hz有啥意义呢？就像我们人呼吸一样，要有一个合适的频率，电也有它合适的频率，这样才能保证我们的电器正常工作。（二）峰值和有效值1、峰值峰值就是交变电流在一个周期内所能达到的最大值。对于正弦式交变电流来说，电流的峰值用Iₘ表示，电压的峰值用Uₘ表示。就好比爬山，你爬到山顶的时候，那就是你这次爬山的最高位置，这个最高位置就相当于交变电流的峰值。我记得有一次我去爬山，爬到山顶的时候特别兴奋，因为那是我在这次爬山过程中到达的最高的地方。这就和交变电流的峰值是一样的，它是在整个变化过程中能够达到的最大值。2、有效值有效值可就有点复杂了。有效值是根据电流的热效应来定义的。简单来说，如果让一个直流电和一个交变电流分别通过相同的电阻，如果在相同的时间内它们产生的热量相等，那么这个直流电的数值就叫做这个交变电流的有效值。比如说，我们家里的用电器上标的电压220V就是有效值。这就好比两个人干活，一个人是一直稳定地干活，另一个人是一会儿干得多一会儿干得少，但是最后干出来的活的总量是一样的，那这个一直稳定干活的人的工作量就相当于交变电流的有效值。三、交变电流的图像（一）正弦式交变电流图像的特点正弦式交变电流的图像就像我们前面说的正弦函数的图像一样，是一个波浪形状的。它的横轴表示时间，纵轴可以表示电流、电压或者电动势。从图像上我们可以很直观地看到交变电流的周期、峰值等信息。我给大家举个例子啊。就像我们看天气预报的气温变化图一样，横轴是时间，纵轴是温度。我们可以从这个图上看到什么时候温度最高（相当于峰值），温度变化的周期是多久。对于交变电流的图像也是这样，我们可以从上面得到很多有用的信息。（二）根据图像计算周期、频率、峰值和有效值1、计算周期从图像上看，相邻两个相同状态之间的时间间隔就是周期。比如说，从电流为零开始，到下一次电流为零，这个时间间隔就是周期。2、计算频率知道了周期，根据我们前面说的频率和周期的关系f=1/T，就可以计算出频率了。3、计算峰值图像上最高的点或者最低的点对应的数值就是峰值。这就像我们看山峰的高度一样，图像上的峰值就是交变电流在这个周期内的最大或者最小值。4、计算有效值计算有效值相对复杂一点。对于正弦式交变电流，有效值和峰值之间有一个特定的关系。电流的有效值I=Iₘ/√2，电压的有效值U=Uₘ/√2。这个关系是怎么来的呢？这就得从有效值的定义，也就是根据热效应来推导了。不过大家只要记住这个关系，就可以根据峰值计算出有效值了。四、交变电流的相位（一）相位的概念相位这个概念可能有点抽象。咱们可以把交变电流想象成一个在旋转的轮子。相位就是这个轮子在某个时刻的位置。就像时钟的指针，在不同的时刻指向不同的位置，这个位置就有点像交变电流的相位。我给大家举个例子。比如说有两个正弦式交变电流，它们的频率是一样的，但是起始的位置不一样，就像两个同时起跑的运动员，但是起跑的位置不一样，这个起跑的位置就相当于它们的相位不同。（二）相位差相位差就是两个交变电流相位之间的差值。如果两个交变电流的相位差是0，那就说明它们是同相的，就像两个并排跑步的运动员。如果相位差是π（180°），那就说明它们是反相的，就像两个朝着相反方向跑的运动员。相位差在很多电路分析中都很重要呢。重点：1、交变电流的周期、频率、峰值、有效值和相位的概念。这些概念是理解交变电流的基础，就像盖房子的砖头一样重要。2、周期和频率的关系f=1/T，以及正弦式交变电流有效值和峰值的关系I=Iₘ/√2，U=Uₘ/√2。这些关系在计算中经常用到，大家一定要记住。难点：1、有效值的概念理解。因为它是根据热效应来定义的，不像其他概念那么直观，所以大家可能会觉得有点难理解。大家可以多从一些实际的例子，比如前面说的两个人干活的例子来理解。2、相位和相位差的概念。这两个概念比较抽象，大家可以多结合一些形象的比喻，像时钟指针、运动员跑步这些例子来加深理解。五、实际应用中的交变电流（一）家用电器中的交变电流咱们家里的各种电器都离不开交变电流。比如说电灯，当交变电流通过灯丝的时候，灯丝就会发热发光。电视、冰箱、洗衣机等等电器也都是靠交变电流来工作的。不同的电器对交变电流的要求也不一样。比如说，电脑对电压的稳定性要求比较高，如果电压波动太大，电脑可能就会出问题。这就像不同的人对环境的要求不一样，有些人能适应比较恶劣的环境，有些人就需要比较舒适的环境才能好好工作。（二）工业中的交变电流在工业生产中，交变电流更是发挥着巨大的作用。大型的机器设备，像车床、铣床等等，都是靠交变电流来驱动的。而且在工业生产中，有时需要对交变电流进行变换，比如说把电压升高或者降低，这就需要用到变压器了。变压器就像一个魔术师，可以把交变电流按照我们的需求进行变化。（三）交变电流在电力传输中的应用在电力传输过程中，为了减少电能的损耗，我们通常会采用高压输电的方式。这是因为根据公式P=UI（P表示功率，U表示电压，I表示电流），在输送功率一定的情况下，电压越高，电流就越小。而根据焦耳定律Q=I²Rt（Q表示热量，R表示电阻，t表示时间），电流越小，在输电线路上产生的热量就越少，电能的损耗也就越小。就像我们运水，如果用很细的管道运水，水的压力就要很大，这样水在管道里流动的时候就不容易漏水（相当于电能损耗小）。六、总结同学们，今天我们学习了交变电流的产生与输送中的交变电流的描述这部分内容。我们了解了交