交变电流 知识点 例题详解

第十四章交变电流第一单元交流电的产生及变化规律基础知识一．交流电大小和方向都随时间作周期性变化的电流，叫做交变电流。其中按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流，正弦式电流产生于在匀强电场中，绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里，线圈每转动一周，感应电流的方向改变两次。二．正弦交流电的变化规律线框在匀强磁场中匀速转动．1．当从图12—2即中性面．．．位置开始在匀强磁场中匀速转动时，线圈中产生的感应电动势随时间而变的函数是正弦函数：即e=εmsinωt，i＝Imsinωtωt是从该位置经t时间线框转过的角度；ωt也是线速度V与磁感应强度B的夹角；。是线框面与中性面的夹角2．当从图位置开始计时：则：e=εmcosωt，i＝Imcosωtωt是线框在时间t转过的角度；是线框与磁感应强度B的夹角；此时V、B间夹角为（π/2一ωt）．3．对于单匝矩形线圈来说Em=2Blv=BSω；对于n匝面积为S的线圈来说Em=nBSω。对于总电阻为R的闭合电路来说Im=mER三．几个物理量1．中性面：如图所示的位置为中性面，对它进行以下说明：（1）此位置过线框的磁通量最多．（2）此位置磁通量的变化率为零．所以e=εmsinωt=0，i＝Imsinωt=0（3）此位置是电流方向发生变化的位置，具体对应图中的t2，t4时刻，因而交流电完成一次全变化中线框两次过中性面，电流的方向改变两次，频率为50Hz的交流电每秒方向改变100次．2．交流电的最大值：εm＝BωS当为N匝时εm＝NBωS（1）ω是匀速转动的角速度，其单位一定为弧度／秒，nad/s（注意rad是radian的缩写，round/s为每秒转数，单词round是圆，回合）．（2）最大值对应的位置与中性面垂直，即线框面与磁感应强度B在同一直线上．（3）最大值对应图中的t1、t2时刻，每周中出现两次．3．瞬时值e=εmsinωt，i＝Imsinωt代入时间即可求出．不过写瞬时值时，不要忘记写单位，如εm=2202V，ω=100π，则e=2202sin100πtV，不可忘记写伏，电流同样如此．4．有效值：为了度量交流电做功情况人们引入有效值，它是根据电流的热效应而定的．就是分别用交流电，直流电通过相同阻值的电阻，在相同时间内产生的热量相同，则直流电的值为交流电的有效值．（1）有效值跟最大值的关系εm=2U有效，Im=2I有效（2）伏特表与安培表读数为有效值．（3）用电器铭牌上标明的电压、电流值是指有效值．5．周期与频率：交流电完成一次全变化的时间为周期；每秒钟完成全变化的次数叫交流电的频率．单位1/秒为赫兹（Hz）．规律方法一、关于交流电的变化规律【例1】如图所示，匀强磁场的磁感应强度B=0．5T，边长L=10cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈电阻r＝1Ω，线圈绕垂直与磁感线的对称轴OO/匀速转动，角速度为ω＝2πrad／s，外电路电阻R＝4Ω，求：（1）转动过程中感应电动势的最大值．（2）由图示位置（线圈平面与磁感线平行）转过600时的即时感应电动势．（3）由图示位置转过600角时的过程中产生的平均感应电动势．（4）交流电电表的示数．（5）转动一周外力做的功．（6）61周期内通过R的电量为多少？解析：（1）感应电动势的最大值，εm＝NBωS＝100×0．5×0．12×2πV=3．14V（2）转过600时的瞬时感应电动势：e＝εmcos600=3．14×0．5V＝1．57V（3）通过600角过程中产生的平均感应电动势：=NΔΦ/Δt=2．6V（4）电压表示数为外电路电压的有效值：U=rR·R＝2143×54=1．78V（5）转动一周所做的功等于电流产生的热量W＝Q＝（2m）2（R十r）·T＝0．99J（6）61周期内通过电阻R的电量Q＝I·61T＝R61T＝6/60sin0rRTNBS＝0．0866C【例2】磁铁在电器中有广泛的应用，如发电机，如图所示。已知一台单相发电机转子导线框共有N匝，线框长为l1，宽为l2，转子的转动角速度为ω,磁极间的磁感应强度为B。导出发电机的瞬时电动势E的表达式。现在知道有一种强永磁材料铵铁硼，用它制成发电机的磁极时，磁感应强度可以增大到原来的K倍，如果保持发电机的结构和尺寸，转子转动角速度，需产生的电动势都不变，那么这时转子上的导线框需要多少匝?(2002年，安徽)解：如图所示，有V=ωl2/2二、表征交流电的物理量【例3】.交流发电机的转子由B∥S的位置开始匀速转动，与它并联的电压表的示数为14.1V，那么当线圈转过30°时交流电压的即时值为＿＿V。分析：电压表的示数为交流电压的有效值，由此可知最大值为Um=2U=20V。而转过30°时刻的即时值为u=Umcos30°=17.3V。【例4】通过某电阻的周期性交变电流的图象如右。求该交流电的有效值I。分析：该交流周期为T=0.3s，前t1=0.2s为恒定电流I1=3A，后t2=0.1s为恒定电流I2=-6A，因此这一个周期内电流做的功可以求出来，根据有效值的定义，设有效值为I，根据定义有：2221212RtIRtIRTI∵I=32A【例5】如图所示，（甲）和（乙）所示的电流最大值相等的方波交流电流和正弦交流电流，则这两个电热器的电功率之比Pa∶Pb=解析：交流电流通过纯电阻R时，电功率P＝I2R，I是交流电流的有效值．交流电流的有效值I是交流电流的最大值Im的1/2，这一结论是针对正弦交流电而言，至于方波交流电通过纯电阻R时，每时每刻都有大小是Im的电流通过，只是方向在作周期性的变化，而对于稳恒电流通过电阻时的热功率来说是跟电流的方向无关的，所以最大值为Im的方波交流电通过纯电阻的电功率等于电流强度是Im的稳恒电流通过纯电阻的电功率．由于Pa＝Im2R．Pb＝I2R＝Im2R/2．所以，Pa∶Pb=2∶1．答案：2∶1【例6】如图表示一交变电流随时间变化的图象，此交变电流的有效值是（）A．52A；B．5A；C．3．52A；D．3．5A解析：严格按照有效值的定义，交变电流的有效值的大小等于在热效应方面与之等效（在相同时间内通过相同的电阻所产生的热量相等）的直流的电流i/A3Ot/s-60.20.30.50.6值．可选择一个周期（0．02s）时间，根据焦耳定律，有：I2R×0．02＝（42）2R×0．01+（32）2R×0．01解之可得：I＝5A．答案：B三、最大值、平均值和有效值的应用1、正弦交变电流的电动势、电压和电流都有最大值、有效值、即时值和平均值的区别。以电动势为例：最大值用Em表示，有效值用E表示，即时值用e表示，平均值用E表示。它们的关系为：E=Em/2，e=Emsinωt。平均值不常用，必要时要用法拉第电磁感应定律直接求：tnE。切记122EEE。特别要注意，有效值和平均值是不同的两个物理量．．．．．．．．．．．．．．．．，有效值是对能的平均结果，平均值是对时间的平均值。在一个周期内的前半个周期内感应电动势的平均值为最大值的2/π倍，而一个周期内的平均感应电动势为零。2、我们求交流电做功时，用有效值，求通过某一电阻电量时一定要用电流的平均值交流电，在不同时间内平均感应电动势，平均电流不同．考虑电容器的耐压值时则要用最大值。3、交变电流的有效值是根据电流的热效应规定的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同的时间内产生的热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值。⑴只有正弦交变电流．．．．．．的有效值才一定是最大值的2/2倍。⑵通常所说的交变电流的电流、电压；交流电表的读数；交流电器的额定电压、额定电流；保险丝的熔断电流等都指有效值。（3）生活中用的市电电压为．．．．．．．．．．220V．．．．，其最大值为．．．．．．220．．．2V=311V．．．．．．（有时写为．．．．．310V．．．．），频率．．．．为．50H．．．Z．，所以其电压即时值的表达式为．．．．．．．．．．．．．．u．=311sin314．．．．．．．．．．t．V．。【例7】.交流发电机转子有n匝线圈，每匝线圈所围面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，匀速转动的角速度为ω，线圈内电阻为r，外电路电阻为R。当线圈由图中实线位置匀速转动90°到达虚线位置过程中，求：⑴通过R的电荷量q为多少？⑵R上产生电热QR为多少？⑶外力做的功W为多少？分析：⑴由电流的定义，计算电荷量应该用平均值：即rRnBSqrRtnBSrRtnrREItIq,,而，这里电流和电动势都必须要用平均值，不能．．．．．．用有效值、最大值或瞬时值．．．．．．．．．．．．。⑵求电热应该用有效值．．．，先求总电热Q，再按照内外电阻之比求R上产生的电热QR。22222222224,4222)(rRRSBnQrRRQrRSBnrRnBSrREtrRIQR。这里的电流必须要用有效值，不能用平均值、最大值或瞬时值。⑶根据能量守恒，外力做功的过程是机械能向电能转化的过程，电流通过电阻，又将电．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．能转化为内能，即放出电热．．．．．．．．．．．．。因此W=QrRSBn4222。一定要学会用能量转化和守恒定律来分析功和能。试题展示1.如图a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逆时针匀速转动。若以线圈平面与磁场夹角45＝时（如图b）为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正。则下列四幅图中正确的是答案：D【解析】本题考查正弦交流电的产生过程、楞次定律等知识和规律。从a图可看出线圈从垂直于中性面开始旋转，由楞次定律可判断，初始时刻电流方向为b到a，故瞬时电流的表达式为i=－imcos（π4+ωt），则图像为D图像所描述。平时注意线圈绕垂直于磁场的轴旋转时的瞬时电动势表达式的理解。2．小型交流发电机中，矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动。产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系，如图所示，此线圈与一个R＝10Ω的电阻构成闭合电路，不计电路的其他电阻，下列说法正确的是A．交变电流的周期为0.125B．交变电流的频率为8HzC．交变电流的有效值为2AD．交变电流的最大值为4A【答案】C【解析】由e－t图像可知，交变电流电流的周期为0.25s，故频率为4Hz，选项A、B错误。根据欧姆定律可知交变电流的最大值为2A，故有效值为2A，选项C正确。3.（12分）一小型发电机内的矩形线圈在匀强磁场中以恒定的角速度绕垂直于磁场方向的固定轴转动，线圈匝数100n，穿过每匝线圈的磁通量随时间按正弦规律变化，如图所示，发电机内阻0.5r，外电路电阻95R，已知感应电动势的最大值nEm，其中m为穿过每匝线圈磁通量的最大值，求串联在外电路中的交流电流表（内阻不计）的读数。18．参考解答：已知感应电动势的最大值mmnaE○1设线圈在磁场中转动的周其为T，则有T2○2根据欧姆定律，电路中电流的最大值为rREImm○4设交流电流表的读数I，它是电流的有效值，根据有效值与最大值的关系，有mII21○4由题给的1图线可读得Wbm-2100.1○5BT21014.3○6解以上各式，并代入数据，得AI4.1○74．如图所示，矩形线圈边长为ab=20cm，ab=10cm，匝数N=100匝，磁场的磁感强度B=0.01T。当线圈以50r/s的转速从图示位置开始逆时针匀速转动，求：（1）线圈中交变电动势瞬时值表达式；（2）从线圈开始转起动，经0.01s时感应电动势的瞬时值。分析：只要搞清交变电的三个要素、m、0，进而写出交变电的瞬时值表达式，这样就把握到交变电的变化规律了解答：（1）欲写出交变电动势的瞬时值，先求出、m、0三个要素。线圈旋转角速度为sradf/1002，感应电动势的最大值为VBNSm28.6，刚开始转动时线圈平面与中性夹角rad60。于是线圈