十六、交变电流、电磁场、电磁波doc

十六、交变电流 电磁场 电磁波1、交变电流的产生(1)交变电流：大小和方向都随时间作周期性变化的电流，叫做交变电流，简称交流。

(2)中性面一、知识网络二、画龙点睛概念①中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置，或瞬时感应电动势为零的位置。

②中性面的特点a ．线圈处于中性面位置时，穿过线圈的磁通量Φ最大，但Φt∆∆＝0； b ．线圈经过中性面，线圈中感应电流的方向要改变。

线圈转一周，感应电流方向改变两次。

线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次，因此线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。

(3)交变电流的产生下图是交流发电机矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程的示意图，图中只画出了一匝线圈。

线圈在不断转动，电路中电流的方向也就不断改变，交变电流就是这样产生的。

2、交变电流的图象和变化规律 (1)交变电流的图象①波形图：反映电压(或电流)随时间变化规律的图象，叫做波形图。

②交变电流图象的特点：家庭电路中交变电流的波形图象为正弦曲线。

(2)交变电流的变化规律如果线圈从中性面开始计时，逆时针方向匀速转动，角速度ω，经时间t ，线圈转到图示位置，ab 边与cd 边的速度方向与磁场方向夹角为ωt ，如图所示。

e ＝E m sin ωt i ＝I m sin ωt u ＝U m sin ωt交变电流的最大值表达式 E m ＝NBS ω甲 乙 丙 丁 戊I m＝NBS R rω+U m＝I m R＝NBSR rω+R(3)交变电流的类型①正弦式电流：随时间按正弦规律变化的电流，叫做正弦式电流。

正弦式电流是一种又最基本的交变电流，家庭电路中的交变电流就是正弦式交变电流。

②其它形式的交变电流实际中应用的交变电流，不只限于正弦交变电流，它们随时间的变化规律是各种各样的。

几种交变电流的波形。

3、交流发电机(1)交流发电机的组成①电枢和磁极：交流发电机构造比模型复杂得多，但基本组成都是有产生感应电动势的线圈（通常叫电枢）和产生磁场的磁极。

②转子和定子：转动的部分称为转子，不动的部分称为定子。

(2)交流发电机的种类①旋转电枢式发电机电枢转动，磁极不动的发电机，叫做旋转电枢式发电机。

②旋转磁极式发电机磁极转动，而电枢不动的发电机，叫做旋转磁极式发电机。

③两种发电机的优缺点旋转电枢式发电机经过裸露的滑环和电刷引到外电路，同时转动的电枢又不可能很大，产生的电压一般不超过500V 。

旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几万伏的电压，输出功率可达几百兆瓦。

4、最大值和有效值(1)最大值①最大值：交变电流的最大值，指交变电流一个周期内所能达到的最大数值。

通常用I m 、E m 和U m 表示最大值。

②意义：可表示交变电流的强弱或电压的高低。

(2)有效值 ①概念让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同时间内，产生热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值。

通常用大写字母U 、I 、E 表示有效值。

跟交流热效应相同的恒定电流的值叫做交流的有效值。

定义有效值时要抓三个相同。

②意义：描述交变电流做功或热效应的物理量。

③正弦式交流的有效值正弦式交流的有效值与最大值关系为：I＝0.707I m U0.707U m 例题：表示交变电流随时间变化图象，如图所示，则交变电流有效值为（ ）A ．52 AB ．5 AC ．3.52 AD ．3.5 A解析：设有效值为I ，根据有效值的定义有()2R ×T 2＋(2R ×T2＝I 2RT解得：I ＝5A答案：B例题：如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。

解析：此题所给交流正负半周的最大值不相同，许多同学对交变电流有效值的意义理解不深，只知道机械地套用正弦交变电流的最大值是有效值的2倍的关系，直接得出有效值，而对此题由于正负半周最大值不同，就无从下手。

应该注意到在一个周期内前半周期和后半周期的有效值是可求的，再根据有效值的定义，选择一个周期的时间，利用在相同时间内通过相同的电阻所产生的热量相同，从焦耳定律求得。

－I 2R ·T ＝I 12R ·T 2+ I 22R ·T 2 即I 2＝(2)22·21+（24）2·21解得：I ＝5A例题：交流发电机矩形线圈边长ab ＝cd ＝0.4 m ，bc ＝ad ＝0.2 m ，共50匝，线圈电阻r ＝1Ω，线圈在B ＝0.2 T 的匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴OO ′以π100r/s 转速匀速转动，外接电阻9Ω，如图所示。

求：(1)电压表读数；(2)电阻R 上电功率。

解析：(1)线圈在磁场中匀速转动时，产生的感应电动势的最大值为：E m ＝NBS ω＝50×0.2×0.4×0.2×π100×2π＝160 V 。

闭合回路中产生的感应电流的有效值为：I== A电阻R 两端的电压的有效值为： U ＝IR ＝722V ≈101.5 V 。

(2)P ＝UI ＝722×82W ＝1152 W 。

④说明a ．各种使用交变电流的电气设备上所标的额定电压和额定电流的数值为有效值；b ．一般交变电流流表和交变电流压表测量的数值，也都是有效值；c ．凡是没有说明的，所指的值均为有效值。

(3)平均值交变电流在某段时间内电动势的平均值可由法拉第电磁感应定律求出。

求出平均电流后可求某段时间内通过导线横截面的电荷量。

交变电流的平均值不是一个定值。

例题： 左图所示是某种型号的电热毯的电路图，电热毯接在交变电源上，通过装置P 使加在电热丝上的电压的波形如右图所示。

此时接在电热丝两端的交流电压表的读数为A.110VB.156VC.220VD.311V解：从u -t 图象看出，每个周期的前半周期是正弦图形，其有效值为220V ；后半周期电压为零。

根据有效值的定义，02212+⋅=T R U T R U ，得U =156V ，选B 。

例题：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Q R 为多少？⑶外力做的功W 为多少？解：⑴按照电流的定义I =q /t ，计算电荷量q 应该用电流的平均值：即()()rR nBSq r R t nBS r R t n r R E I t I q +=∴+=+∆Φ=+==,,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Q R 。

()()()()22222222224,4222)(r R R S B n Q r R R Q r R S B n r R nBS r R E t r R I Q R +=+=+=+=⋅+=+=πωπωωπωωπ。

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 ()r R S B n +=4222πω。

一定要学会用能量转化和守恒定律来分析功和能。

例题：曾经流行过一种向自行车车头灯供电的小型交流发电机，图9为其结构示意图。

图中N 、S 是一对固定的磁极，abcd 为固定在转轴上的矩形线框，转轴过bc 边中点、与ab 边平行，它的一端有一半径r 0＝1.0cm 的摩擦小轮，小轮与自行车车轮的边缘相接触，如图2所示。

当车轮转动时，因摩擦而带动小轮转动，从而使线框在磁极间转动。

设线框由N ＝800匝导线圈组成，每匝线圈的面积S ＝20cm 2，磁极间的磁场可视作匀强磁场，磁感强度B ＝0.010T ，自行车车轮的半径R 1＝35 cm ，小齿轮的半径R 2＝4.0cm ，大齿轮的半径R 3＝10.0cm 以（见图10）。

现从静止开始使大齿轮加速转动，问大齿轮的角速度为多大才能使 发电机输出电压的有效值U ＝3.2V ？（假定摩擦小轮与自行车轮之间无相对滑动）解析： 当自行车车轮转动时，通过摩擦小轮使发电机的线框在匀强磁场内转动，线框中产生一正弦交流电动势，其最大值 B S N 0m ω=ε式中ω0为线框转动的角速度，即摩擦小轮转动的角速度。

发电机两端电压的有效值m 22U ε=设自行车车轮转动的角速度为ω1，由于自行车车轮与摩擦小轮之间无相对滑动，有0011r R ω=ω小齿轮转动的角速度与自行车轮转动的角速度相同，也为ω1。

设大齿轮转动的角速度为ω，有123R R ω=ω 由以上各式解得 1302R R r R B S N U 2⋅=ω 代人数据得 ω＝3.2rad/s5、周期和频率(1)周期：交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做交变电流的周期，通常用T 表示，单位是s 。

(2)频率：交变电流在1s 内完成周期性变化的次数，叫做交变电流的频率，通常用f 表示，单位是赫兹（Hz）。

(3)周期和频率的关系根据定义，周期和频率的关系是T＝1 f周期和频率都是表示交变电流变化快慢的物理量。

我国工农业生产和生活用的交变电流，周期是0.02s，频率是50Hz，电流方向每秒改变100次。

6、电感对交变电流的阻碍作用(1)电阻对交流和直流阻碍作用相同(2)电感对交流和直流的阻碍作用不同对直流电起阻碍作用的只是线圈的电阻；对交流电，除了线圈电阻外，电感也起作用。

(3)感抗①感抗：电感对交变电流的阻碍作用的大小，用感抗来表示。

②与感抗大小有关的因素：决定于线圈的自感系数和交变电流的频率。

线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大。

③产生原因：线圈中产生的自感电动势对交流起阻碍作用。

④单位：欧(Ω)。

(4)低频扼流圈与高频扼流圈①低频扼流圈a．构造：线圈绕在闭合的铁芯上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十亨。

b．特点：对低频交变电流就有很大的阻碍作用，而线圈的电阻较小，对直流的阻碍作用较小。

低频扼流圈可用来“通直流，阻交流”。

②高频扼流圈a．构造：线圈有的绕在圆柱形的铁氧体芯上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫亨。

b．特点：对低频交变电流的阻碍作用较小，对高频交变电流的阻碍作用很大。

高频扼流圈可用来“通低频，阻高频”。

7、交变电流能够通过电容器(1)交变电流能够通过电容器直流电不能通过电容器，交流电能够通过电容器。

(2)交变电流通过电容器的实质电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流“通过”了电容器。

3、电容器对交变电流的阻碍作用(1)电容器对交变电流有阻碍作用交流能够通过电容器，但电容器对交流也有阻碍作用。