正弦交流电

正弦交流电正弦交流电的识别正弦交流电的基本概念14正弦交流电的基本物理量2什么叫正弦交流电正弦交流电的产生交流电的基本概念一、什么是交流电稳恒直流电：日常使用的电池、蓄电池等电源的输出电压大小和方向都不随时间而变化，称为稳恒直流电。tu图3-1（a）稳恒直流电正弦交流电：家用电源的电压大小和方向按正弦规律变化，称为正弦交流电。tu图3-1（b）正弦交流电除了正弦交流电之外还有锯齿波交流电、方形交流电等交流电tutu图3-1（c）电视机显像管的锯齿偏转电流图3-1（d）计算机中的方波电压信号交流电与直流电的根本区别是：直流电的电压和电流方向不随时间的变化而变化，交流电的电压或电流方向则随时间的变化而变化。交流电路中，随时间变化的量用小写字母表示，如：u、i、e、p；不随时间变化的量用大写字母表示，如：U、I、E、P。二、交流电的产生交流电可由交流发电机产生sinmeEt2mEBlv感应电动势最大值：正弦交流电动势解析式：ωt=0°时，e=0ωt=90°时，e=Emωt=180°时，e=0ωt=270°时，e=-Em二、交流发电机:（1）发电机的基本组成：①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）②用来产生磁场的磁极（2）发电机的基本种类①旋转电枢式发电机②旋转磁极式发电机转动的部分叫转子，不动的部分叫定子三、线圈转动时线圈中的电流特性中性面①中性面在垂直于磁场位置．②线圈通过中性面时，穿过线圈的磁通量最大a(b)d(c)B1、观察到线圈中电流方向是变化的线圈从什么位置开始改变电流方向？线圈平面每转过中性面时，线圈中感应电流方向改变一次，转动一周线圈两次通过中性面，故一周里线圈中电流方向改变两次．2、再观察电流强度与线圈位置的关系中性面时电流最小，与中性面垂直时电流最大我国使用的交流电的频率是50HZ，请问1s内电流方向改变多少次？四、交变电流的变化规律（1）线圈平面垂直于磁感线（甲图），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．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，磁通量变化率最小，感应电流为零．vvBvv（2）当线圈平面逆时针转过时（乙图），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．Em=2BLV=2BLL/2ω=BωSIm＝=BωS/Ｒ方向：右手定则垂直中性面的特点：线圈平面与磁感线平行，磁通量为零，感应电动势最大，磁通量变化率最大，感应电流最大．（3）再转过时（丙图），线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势．abcdBvv（4）当线圈再转过时，处于图（丁）位置，ab、cd边的瞬时速度方向，跟线圈经过图（乙）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（图乙）位置相反．vv（5）再转过线圈处于起始位置（戊图），与（甲）图位置相同，线圈中没有感应电动势．Bvv从上面的观察知道，交流电的电流强度与产生交流电的线圈位置有关。那么电流强度与线圈位置之间有什么关系呢？当线圈转到其它任意位置时，产生的瞬时电动势又如何呢？θθv1v2从中性面开始，线框转过的角度为ωt将v分解v1＝vsimωtv1⊥Bv2＝vcosωtv2∥Beab＝Blvsinωta→becd＝Blvsinωtc→d即线框中感应电动势e＝2Blvsinωta→b→c→d．这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流．中性面开始计时：e=N2Blvsinωt=Emsinωt＝NBSωsin2πft电动势随时间按正弦规律变化。垂直于中性面开始计时：e=Emcosωt电流的瞬时值：电压的瞬时值：eR总EmR总eR总i==sinωt=Imsinωtu=iR=ImRsinωt=UmsinωtEm=NBSω五、交流电变化的规律TTT六.图象表示：当闭合矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴线做匀速转动时，闭合线圈中就有交流电产生．结论：七、一些其它交变电流交变电流的特点：方向随时间变化若从线圈平面与中性面成一夹角开始计时，则m0sin()eEt三、正弦交流电的周期、频率和角频率正弦交流电的波形：正弦交流电动势的解析式：sinmeEttTu2340.010.020.030.04t(s)1、周期：交流电每重复变化一次所需的时间。用T表示，单位：秒(s)，上图中周期为0.02s。1Tf1fT2、频率：即交流电在1秒钟内重复变化的次数。用f表示，单位：赫兹(Hz)。周期与频率互为倒数关系：3、角频率：正弦交流电每秒钟内变化的角度。单位为弧度每秒(rad/s)22fT小常识*电网频率：中国50Hz美国、日本60Hz*有线通讯频率：300-5000Hz*无线通讯频率：30kHz-3×104MHz四、正弦交流电的最大值、有效值和平均值1、最大值：正弦交流电在一个周期内所能达到的最大瞬时值。Em表示电动势的最大值；Im表示电流的最大值2、有效值：正弦交流电和直流电分别加在相同的电阻上，如果热效应相等，则此直流电的大小就叫做相应交流电的有效值，用大写字母表示。3、平均值：取半个周期的平均值为正弦交流电的平均值。正弦交流电平均值与最大值的关系：2pmEE2pmUU2pmII2mII2mUU正弦交流电有效值与最大值的关系：有效值与平均值的关系：PP1.122πEEEPP1.122πUUUPP1.122πIII五、正弦交流电的相位与相位差1、相位交流电动势中：相位角是，也称为相位或相角；初相位是，即t=0时的相位角，也叫初相或初相位eωt0m0sin()eEt0()t02、相位差：两个同频率正弦量间的相位差（初相差）最大值反映了正弦交流电的变化范围；角频率反映了正弦交流电的变化快慢；初相位反映了正弦交流电的起始状态。这三个物理量可以唯一确定一个交流电，即正弦交流电的三要素。5-2正弦交流电的相量图表示法ωωteyOO0sintEem0001tmE0e1eaBAb正弦电动势正弦交流电可用一旋转矢量来表示，正弦交流电的矢量称为相量。矢量长度＝Em；矢量初始角＝；矢量旋转速度＝ω0该矢量t时刻在纵轴上的投影等于正弦量的瞬时值e0t该矢量t时刻与横轴的夹角为相量：mEmUmIUEI表示最大值相量表示有效值相量，相量长度为有效值注意:同一相量图上的正弦交流电的频率必须相同；同一相量图中相同单位的相量应按比例画出；任意两个同频率正弦量的和或差可用平行四边形法则求。一个正弦量的相量图、波形图、解析式是正弦量的几种不同的表示方法，它们有一一对应的关系，但在数学上并不相等，不能写成这样：m0sin()eEtE5-3纯电阻电路交流电路中如果只考虑电阻的作用，这种电路称为纯电阻电路。在这些电路中，当外电压一定时，影响电流大小的主要因素是电阻R。一、电流与电压的相位关系设加在电阻两端的电压为msinuUt在任一瞬间通过电阻的电流i仍可用欧姆定律计算，即：msinUtuiRR上式表明，在正弦电压的作用下，电阻中通过的电流也是一个同频率的正弦交流电流，且与加在电阻两端的电压同相位。ωtuipωt通过电阻的最大电流mmUIRUIR在纯电阻电路中，电流与电压的瞬时值、最大值、有效值都符合欧姆定律。通过电阻电流的有效值三、功率任一瞬间，电阻中电流瞬时值与同一瞬间的电阻两端电压的瞬时值的乘积，称为电阻获取的瞬时功率，用PR表示，即：22mRsinUPuitR电流和电压同相，所以P在任一瞬间的数值都大于或等于零，这说明电阻是一种耗能元件。平均功率：电阻在交流电一个周期内消耗的功率的平均值。也称为有功功率。用P表示，单位是W。22UPUIIRR例5-3已知某白炽灯的额定参数220V/100W，其两端所加电压为试求：1.交流电的频率；2.白炽灯的工作电阻；3.白炽灯的有功功率。解:1.交流电的频率为2.白炽灯的工作电阻为3.白炽灯的有功功率为§5-4纯电感电路一、电感对交流电的阻碍作用接6V直流电源：灯泡HL1和HL2亮度相同接6V交流电源：灯泡HL2明显变暗电感线圈对直流电和交流电的阻碍作用是不同的。感抗：电感对交流电的阻碍作用。用XL表示，单位是Ω与感抗的大小有关的因素：（1）线圈的自感系数越大，感抗就越大。（2）交流电的频率越高，线圈的感抗也越大。XL=2πfL=ωL电感对交流电的阻碍作用，可以简单概括为：通直流，阻交流，通低频，阻高频。因此电感也被称为低通元件。二、电流与电压的关系由电阻很小的电感线圈组成的交流电路，可以近似地看作是纯电感电路。纯电感电路欧姆定律：感抗只是电压与电流最大值或有效值的比值，而不是电压与电流瞬时值的比值，即，这是因为u和i的相位不同。电压u的瞬时值表达式为：电压比电流超前90º三、功率瞬时功率在一个周期内，有时为正值，有时为负值。瞬时功率为正值，说明电感从电源吸收能量转换为磁场能储存起来。瞬时功率为负值，说明电感又将磁场能转换为电能返还给电源。瞬时功率在一个周期内吸收的能量与释放的能量相等,也就是说纯电感电路不消耗能量，它是一种储能元件通常用瞬时功率的最大值来反映电感与电源之间转换能量的规模，称为无功功率，用QL表示，单位名称是乏，符号为Var，其计算式为：注意：无功功率并不是“无用功率”，“无功”两字的实质是指元件间发生了能量的互逆转换，而原件本身没有消耗电能。例5-4一个0.7H的电感线圈，电阻忽略不计。（1）先将它接在220V、50Hz的交流电源上，试求流过线圈的电流和电路的无功功率。（2）若电源频率为500Hz，其它条件不变，流过线圈的电流将如何变化？解：（1）线圈的感抗流过线圈的电流电路的无功功率（2）当f=500Hz时可见，频率增高，感抗增大，电流减小。二任务描述黑暗中手电筒的一束灯光带给我们无限的光明，今天请同学们设计好一个电路，使灯光给我们带来光明。（现有电源一个，一个“3V，1.5A”的小灯泡，开关一个，导线若干）负载电源开关ISUS+_R0手电筒的实体电路RL+U–导线手电筒的电路模型三、学习探究任务一探究串联电路的连接形式负载电源开关ISUS+_R0手电筒的实体电路RL+U–导线手电筒的电路模型检查好电路，并通电实验，观察小灯泡是否正常发光，记录结果，若灯泡不亮分析原因，并进一步解决学习探究发光情况原因分析发光情况分析定义把几个电阻一次连接起来，组成无分支的电路，叫串联电路R2R3R1+_U灯泡正常发光后，用万用表的电流档测出电路中的电流，做好记录，分析电流之间的关系，总结结论电路总电流I通过灯泡的电流I1通过电阻的电流I2学习探究电流测试结果结论一：串联电路中电流处处相等任务二探究串联电路中电流的关系任务四用万用表测出电源电压，灯泡两端电压及电阻两端电压，做好记录，分析实验结果，并分析电压之间的关系学习探究电源电压U灯泡两端电压U1电阻两端电压U2电压测试结果结论二：电路的总电压为每个电阻两端的电压之和任务三探究串联电路中电压的关系根据欧姆定律U=IR，则U1=______,U2=________根据实验结论二U=U1+U2=IR1+IR2=I(R1+R2）=IR则R=__________学习探究结论三：串联电路中的等效电阻等于各个电阻之和任务四探究串联电路中的电阻关系知能应用我们今天的实验中，用到的是9V的电源，要使“3V，0.1A”的小灯泡正常工作需要串联多大的电阻呢？I+-ULR?拓展延伸有一只量程为10V的电压表，内阻Rg=20Ω.欲将其电压量程扩大到250V,我们该如何改装使其工作呢？四、知识归纳1.串联电路中电流处处相等2.电路的总电压为每个电阻两端的电压之和3.串联电路中的等效电阻等于各个电阻之和U=U1+U2+U