交流电(英文:AlternatingCurrent,简写AC)是指大小和方向都发生周期性变化的电流,因为周期电流在一个周期内的运行平均值为零,称为交变电流或简称交流电。英文简写为AC。不同直流电,其方向都是一样。通常波形为正弦曲线。交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形,例如三角形波、正方形波。生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。
交流电_交流电 -发展历史
交流电
早期的成品由尼古拉・特斯拉、麦可・法拉第与波利特・皮克西等人开发出来。其中,波利特・皮克西HippolytePixii于1832年基于麦可・法拉第MichaelFaraday的原理制造了第一台交流电机。
1882年,英国电工詹姆斯・戈登建造了大型双相交流发电机。第一代开尔文男爵威廉・汤姆森(WilliamThomson,1stBaronKelvin,1824年6月26日-1907年12月17日)与塞巴斯蒂安・费兰蒂SebastianZianideFerranti开发早期交流发电机,频率介于100赫兹至300赫兹之间。
1891年,尼古拉・特斯拉NikolaTesla取得了“高频率”(15,000赫兹)交流发电机的专利。
1891年后,多相交流发电机被用来供应电流,此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16赫兹至100赫兹间,搭配弧光灯、白炽灯或电动机使用。
交流电_交流电 -简介
交流电(英语:AlternatingCurrent,简写AC)是指大小和方向都发生周期性变化的电流,因为周期电流在一个周期内的运行平均值为零,称为交变电流或简称交流电。不同于方向不随时间发生改变的直流电。
通常波形为正弦曲线。交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形,例如三角形波、正方形波。生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。
发明最早交流发电机的是美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉・特斯拉。
以正弦交流电应用最为广泛,且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后,化成为正弦交流电的叠加。正弦电流(又称简谐电流),是时间的简谐函数。
当闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时,线圈里就产生大小和方向作周期性改变的正弦交流电。
中国通常使用的交流电,一般频率是50Hz。
我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中,交流电用符号"~"表示。
电流随时间的变化规律,由此看出:正弦交流电三个要素:最大值(峰值)、周期(频率或角频率)和相位(初相位)。交流电所要讨论的基本问题是电路中的电流、电压关系以及功率(或能量)的分配问题。由于交流电具有随时间变化的特点,因此产生了一系列区别于直流电路的特性。在交流电路中使用的元件不仅有电阻,而且有电容元件和电感元件,使用的元件多了,现象和规律就复杂了。但基本遵循安培定律等基本法则。是高中电学的的考点和难点。
根据傅里叶级数的原理,周期函数都可以展开为以正弦函数、余弦函数组成的无穷级数,任何非简谐的交流电也可以分解为一系列简谐正余弦交流电的合成。
交流电_交流电 -产生和应用
交流电的来源大致有两类,一类是由机械振动或其他非电信号转换为电振荡,如传声器将声音变为电振荡,压电晶体把机械振动变为电振荡等,另一类则是交流发电机或电子振荡器,作为能源使用的都是属于后一类型。
电力网中所用的交流电源都是利用电磁感应的原理制成的,称为交流发电机。将一个线圈放在永久磁铁(或电磁铁)的磁场中旋转,则穿过线圈的磁通Ф 随时间变动,因而将产生感应电动势e=-dФ/dt。如果线圈的旋转是匀速的,且角速率为ω,则感应电动势就是周期的,其频率f=ω/2π,而ω=2πf常称之为角频率。由于线圈旋转一周后其中磁通Ф的累积变动量等于零,故感应电动势在一周期内的平均值也等于零,即电动势是交变的。通常这种交变电动势通过安装在旋转轴上的两个导电滑环用两个电刷引出,若接通外电路,则在外电路中获得频率为f的交流电。为了获得固定频率的交流电,这种发电机的转速必须是固定不变的,因此被称为同步发电机。这种将机械能转换为电能的装置产生交流电,由于受到机械结构强度的限制,其转速不能太高,因此频率也就不可能很高,一般限于10000赫以下。为了获得更高频率的交流电源,可以采用电子振荡器。广播电台、高频感应加热、电磁振动台、声呐等装置上所需用的较高频率交流电源就属这一类(见电磁振荡和电谐振)。
在M.法拉第1831年发现电磁感应现象后第二年,第一个最简单的交流发电机就已问世,然而交流电开始得到广泛应用还是在19世纪80年代以后,那时相继发明了变压器、三相制、旋转磁场和异步电动机;交流电路理论也随着这些应用的需要而逐步建立,例如用相量表示正弦量的方法就是1893年C.P.施泰因梅茨提出的。1907年三极真空管的发明,为产生更高频率的交流电及其在无线电方面的应用提供了条件。
目前,在动力方面,绝大部分电力网都是交流的,因为交流电可以方便地变换电压;交流电机在结构上也比直流电机简单;在需要直流的地方还可以很方便地采用电子整流装置。中国1980年在东北建立的超高压输变电线路就是用的50万伏交流电。
在信息传输方面也时常用到交流电,例如载波通信的载波电流就是交流电。
交流电_交流电 -交流电路
当电路中通过交流电时,电路周围与电路相关联的磁通也随着交变,从而在电路的各个部分感应电动势e=-dФ/dt。另外,电路中的各个部分还存在着与电压相关联的电荷,其量值随电压的交变而交变,这些交变着的电荷就形成导线中的充放电电流i=dq/dt。一般说来,上述感应电动势与充放电电流将分布在电路的每一个微小段落上。然而,当交流电路的几何线度与该交流电相应的电磁波波长相比很小时,则除开磁场较集中的电感线圈之外,电路其他段落上的感应电动势都可忽略不计;另外除开电场较集中的电容器之外,电路其他段落上电荷的充集和放散也都可忽略不计。对这种电路可以用所谓集中参数来描述,即将电路中的电阻集中到有限个理想电阻元件上;磁场较集中的电感线圈以参数L=Ф/i来描述,称为电感,构成理想电感元件;电场较集中的电容器以参数C=q/u来描述,称为电容,构成理想电容元件。这样就构成了一个含有有限个理想元件的电路模型,这种电路称为集中参数电路。例如对工频50赫交流来说,在真空(或空气)中的电磁波长有6000千米,所以通常遇到的工频交流电路都是集中参数电路。
对集中参数电路来说,基尔霍夫电路定律在任何瞬间都成立。这是因为电路的分析并不涉及电感线圈内部或电容器内部,而只是把它们化作理想电感元件和理想电容元件去研究它们外部的电压电流关系,在这些元件外部任何电路段落上不存在感应电动势与充放电电流。因此,在任何瞬间,流入某节点的电流瞬时值的代数和恒等于零〔基尔霍夫电流定律(KCL)〕,即∑i=0;沿任意闭合回路各电压瞬时值的代数和也恒等于零〔基尔霍夫电压定律(KVL)〕,即∑u=0。
除基尔霍夫电路定律之外,各电路元件上的电压和电流的约束关系也是分析电路问题所不可缺少的。在这三种元件上电压瞬时值u与电流瞬时值i的关系是:
在电阻元件上:u=Ri, (2)
在电感元件上:u=dФ/dt=d(Li)/dt,(3)
在电容元件上:i=dq/dt=d(Cu)/dt,(4)
以上各式中R、L、C就是各理想元件的参数:电阻、电感和电容。如果它们都是既不随电压、电流量值而改变的量(即线性的),又是不随时间而改变的量(即非时变的),就被称为线性非时变元件,其参数即线性非时变参数。
根据基尔霍夫两条定律及各元件上的电压、电流约束关系,就可以列出电路的微分方程。对交流电路来说,往往只须求出所谓稳定状态(简称稳态)的解答,这相当于电路闭合后经过相当长的时间所建立的状态。而电路经过开关切换从一个稳态过渡到另一个稳态之间的过程则称为瞬变状态(简称暂态)。暂态所经历的时间理论上是无限长,但实际上往往只经过数秒、数毫秒、数微秒甚至更短的时间后即可认为已经结束,而已建立起新的稳态。暂态实际所经历时间的长短决定于电路的参数。在暂态中各元件上电压和电流一般都是非周期的,所以不在本条目讨论的范围之内。
下面将只讨论由线性非时变元件所组成的集中参数交流电路。对这种电路来说,其微分方程是常系数线性微分方程组,它的稳态解就是方程的一组特解。
交流电_交流电 -有效值和平均功率
交变电流的瞬时值i随时间变动。工程上所用的交流电量值是通过该交流电流经电阻时所消耗的功率去衡量的。若某交流电流经一线性非时变电阻R在一个周期内消耗的能量与某直流I流经此同一电阻在同一时间内消耗的能量相等,则此直流I的量值就被定义为该交流i的有效值。据此,有下列等式关系
(5)
(6)
对交变电压或周期电压,可用同样方法来定义其有效值
。(7)
(8)
a=Amsin(ωt+