二、交流电与直流电的区别

交流电即交变电流，大小和方向都随时间做周期性变化的电流。直流电则相反。电网公司一般使用交流电方式送电，但有高压直流电用于远距离大功率输电、海底电缆输电、非同步的交流系统之间的联络等

高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性．历史上仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电．下面先就交流电和直流电的主要优缺点作出比较，从而说明它们各自在应用中的价值．

交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能（水流能、风能……）、化学能（石油、天然气……）等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便．这是交流电与直流电相比所具有的独特优势．

直流电的优点主要在输电方面：

①输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2／3～l／2

直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约1／3．

如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流损耗、架空线的电晕损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍．因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半．同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地面积也少．

②在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗．

在一些特殊场合，必须用电缆输电．例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆．由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输线路中，空载电容电流极为可观．一条200kV的电缆，每千米的电容约为0.2μF，每千米需供给充电功率约3×103kw，在每千米输电线路上，每年就要耗电2.6×107kw·h．而在直流输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上．

③直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行．交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ，但实际上常产生波动．这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故．在技术不发达的国家里，交流输电距离一般不超过300km而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运行，不需进行同步调整．

④直流输电发生故障的损失比交流输电小．两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流．因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关．而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速、方便地进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样．因此不必更换两侧原有开关及载流设备．

在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响．所以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能．但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电．

另外提醒一下:在直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电．

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交变电流的产生和变化规律

明确学习目标及主要的学习方法是提高学习效率的首要条件，要做到心中有数！

了解交变电流，理解正弦交流电的概念。

理解正弦交流电的产生过程及产生条件，能够利用法拉第电磁感应定律推导计算正弦交流电的瞬时值表达式

从正弦交流电产生过程、变化图象及解析式三个方面的结合上去理解它的变化规律。

理解描述交流电的物理量：最大值、有效值、周期、频率等的意义及相应计算，尤其是有效值的意义和相关计算。

能够熟练地写出正弦交流电的瞬时值表达式以及从它的变化图象上读出有用信息。

了解电感电容对交流电的影响以及交流电、直流电作用于电感电路的不同之处；了解电感和电容在交流电路中的应用。

能将电磁感应的相关知识迁移到本部分内容中解决问题；能理解物理学等效思想的意义。

对正弦交流电的产生过程和变化规律的理解。

理解描写交流电的物理量，能熟练地写出正弦交流电的瞬时值表达式，熟练地进行最大值与有效值的计算。

正弦交流电产生过程以及对中性面特点的理解。

有效值的意义以及应用有效值的概念进行能的转化和守恒的有关计算。

电感和电容对交流电影响。

交流与直流有许多相似之处，也有许多不同之处。学习中我们特别要注意的是交流与直流的不同之处，即交流电的特殊之处，这既是学习、了解交流电的关键，也是学习、研究新知识的重要方法．在与已知的知识做对比中学习和掌握新知识特点的方法，是物理课学习中很有效和很常用的方法。

（一）产生感应电流的条件是什么？ 其大小和方向如何计算和判断？

（二）矩形线圈在磁场中转动会产生感应电流吗？

知识点一：直流电和交流电

电流的　　　　不随时间变化的电流或电压叫做直流电。直流电可以分为：脉动直流电和恒定电流两种形式。

脉动直流电：电流或电压的大小随时间发生变化，但方向不发生变化，如图甲、乙所示。

恒定电流：电流或电压的大小和方向都不随时间发生变化，如图丙、丁。

电路中的电流大小和方向都随时间做周期性的变化，这样的电流叫交变电流，简称交流（AC）。

实际应用中，交变电流有不同的变化规律，常见的有以下几种，如图所示：

知识点二：正弦交流电的产生和变化规律

如图所示，一个线圈在匀强磁场中绕着垂直于磁场的轴匀速转动时，就会在线圈中产生正弦交流电。

（1）线圈所在空间的磁场是匀强磁场；

（3）线圈的两个端分别固定在完整的滑环L、K上，碳刷F和E各自与L、K始终相接，也就是说，每个碳刷始终和线圈的 端相接对外供电。（这是与直流发电机所不同的地方）。

（二）正弦交流电方向变化的位置――中性面

线圈平面与磁感线　　　　的位置，如上图中甲丙线圈所在平面即为线圈中性面。

①线圈的各边都不切割磁感线，线圈中　　　感应电动势和感应电流产生。

②线圈每经过一次中性面，电流的方向就改变 次，线圈每转一周电流方向改变 次。

③在中性面处线圈包围的磁通量最 ，但其变化率 。

（三）正弦交流电电动势最大的位置――与中性面垂直的位置

如上图乙、丁线圈所在位置。

（1）与中性面垂直的位置的特点

由于磁场与线圈平面平行，所以磁通量为 ，但是磁通量的变化率却最 ，因此感应电动势最大，感应电流最 。

（2）此位置线圈的AB边和CD边的速度方向与磁感线 。

线圈远离此位置时，感应电动势变小。

（四）正弦交流电：电动势、电流、电压随时间的变化规律

（1）正弦交变电流的瞬时表达式（从中性面开始计时）

e=　　 　　, ，其中i、u、e分别表示电流、电压、电动势的瞬时值，Im、Um、Em分别表示电流、电压、电动势的　　　　值。

（2）正弦交变电流的图象

（3）对正弦交变电流的图象的理解

正弦交变电流随时间变化情况可以从图象上表示出来，图象描述的是交变电流随时间变化的规律，它是一条正弦曲线，如图所示：

从图象中可以解读到以下信息：

①交变电流的　 　　值Im、Em、周期T。

②因线圈在中性面时感应电动势、感应电流均为 ，磁通量最 ，所以可确定线圈位于中性面的时刻。

③找出线圈平行磁感线的时刻。

④判断线圈中磁通量的变化情况。

⑤分析判断i、e随时间的变化规律。

知识点三：正弦交流电瞬时值表达式的推导过程及求解步骤

（一）交变电流的瞬时值表达式的推导

设线圈从中性面起经时间t转过角度，则=XXXXXt，此时两边ab、cd速度方向与磁感线方向的夹角分别为和（180XXXXX－XXXXXt），如图所示：

它们产生的感应电动势同向相加，整个线圈中的感应电动势为：

因为，代入上式中得：e=　　　 　。

对纯电阻电路，设闭合电路总电阻为R，由欧姆定律得闭合回路的电流瞬时值

此时加在电路的某一段电阻R＇上的电压瞬时值：

（二）求解交变电动势瞬时值的步骤

（1）确定线圈转动是从哪个位置开始计时。

（2）确定表达式是正弦还是余弦。

（3）确定转动的角速度XXXXX及n、B、S等。

（4）根据Em=nBSXXXXX求出峰值，写出瞬时值的表达式，代入角度求瞬时值。

知识点四：描述交流电的物理量

（一）描述交变电流大小的物理量

交变电流在一个周期内所能达到的最大值，峰值可以用来表示交变电流的强弱或电压的高低，但 用来表示交流电产生的热量或转化为多少其它形式的能。

峰值在实际中有一定的指导意义，所有使用交变电流的用电器，其最大耐压值应大于其使用的交变电压的 值，电容器上的标称电压值是电容器两极间所允许施加电压的 值。

使交变电流和直流电通过相同阻值的电阻，如果它们在相等时间内产生的　　　

相等，就把这一直流电的数值叫做这一交变电流的有效值。

①在没有特别说明时，通常所说的交变电流、电压、电动势都是指　　　值，交流电流表测量的值也是　 　值，交流用电设备铭牌标出的电压、电流值也是指　　　值。

②正弦交变电流的有效值与最大值之间的关系：，，。

交流电的瞬时值反映的是不同时刻交变电流的大小和方向，瞬时值是时间的函数，不同时刻瞬时值不同。

其数值用计算。注意某段时间内的交流电的平均值不等于这段时间始末时刻瞬时值的算术平均值。

①有效值是根据直流电和交流电的热效应等效定义的，旨在描写一个变化的交流电能量转化情况。

②，，仅适用于 交流电，对其它变化形式的交流电则不适用。

③等关系适用于正弦交流电长时间作用的效果，即，若t≤T时，只有在，t=T或者从i=0到i=Im的、的时间内成立。

（二）描写交流电变化快慢的物理量

交变电流完成一次周期性变化所需的　 　，用T表示，单位是　 　。

1 s内交变电流完成周期性变化的　 　，用f表示，单位是　 　。

（3）周期T、频率f、线圈的转速n及XXXXX的关系

，，（n的单位取r / s）

知识点五：电感、电容对交变电流的影响

（一）电感对交变电流的阻碍作用

如图，把线圈L与白炽灯串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源上。取直流电源的电压与交流电压的有效值相等。可以看到接通直流电源时，灯泡亮度大；接通交流电源时，灯泡亮度小。这说明电感线圈对交变电流有阻碍作用。

电感对交变电流的阻碍作用的大小用感抗表示，线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，阻碍作用就越　　　　，感抗也就越　　　　。

（2）电感线圈的特性及应用

特性：通　　　　流阻　　　　流。

①低频扼流圈：通直流阻交流，线圈的自感系数很　 　。

②高频扼流圈：通低频阻高频，线圈的自感系数较　 　。

③日光灯镇流器：日光灯正常工作时，起　　　 　作用。

（二）电容器对交流电的阻碍作用

如图所示，把白炽灯和电容器串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源上，观察灯泡的发光情况。把电容器从电路中取下来，使灯泡直接与交流电源相连，可以看到电路中串有电容器时，接通直流电源，灯泡不亮；接通交流电源，灯泡亮；把电容器从电路中取下来，使灯泡直接与交流电源相连，灯泡要比接有电容器时更亮。

这说明电容对交流电有阻碍作用，这个阻碍作用用容抗表示。

①表示电容对交变电流阻碍作用的大小。

②大小由电容器的　 　和交变电流的　 　决定。电容越大，交变电流的频率越高，容抗就越　　　　。若用XC表示容抗，C表示电容器的电容，f表示交变电流的频率，则有。

③容抗的单位是欧姆，在交变电路中类似于一个电阻。

（3）电容的特性和应用

特性：通　　　流，隔　　　流；通　　　频，阻　　　频。

①放大器的级间耦合，称为耦合电容，用来传递经过放大了的交流信号。

②过滤脉动直流电的高频成份，称为滤波电容。

类型一：求正弦交流电的瞬时感应电动势

例1、如图所示，有一闭合的正方形线圈，匝数N=100，边长为10 cm，线圈总电阻为10XXXXX。线圈绕OO＇轴在B=0.5 T的匀强磁场中匀速转动，每分钟转1500转，求线圈平面从图示位置转过30XXXXX时，感应电动势的值是多少？

思路点拨：（1）明确正弦交流电的三要素，写出瞬时值表达式；（2）由瞬时值表达式求某时刻的值。

总结升华：　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

类型二：瞬时感应电动势和平均感应电动势求法

例2．一边长为的正方形线圈abcd绕对称轴OO＇在匀强磁场中转动，转速为n=120 r / min，若已知边长=20 cm，匝数N=20，磁感应强度B=0.2 T，求：

（1）转动中的最大电动势及位置。

（2）从中性面开始计时的电动势瞬时值表达式。

（3）从如图所示位置转过90XXXXX过程中的平均电动势。

总结升华：　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

【变式】如图所示，匀强电场B=0.50 T。一个匝数n=100匝的矩形线圈，边长ab=0.20 m，bc=0.10 m，围绕着跟磁场方向垂直的对称轴OO＇以角速度XXXXX=100XXXXXrad / s匀速转动。从绕圈平面通过中性面时开始计时，求：

（1）t=0、、 、各时刻的瞬时电动势；

（2）t由0到过程中的平均电动势。

类型三：对交流电图象的理解

例3．一矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势随时间t的变化规律如图所示，由图象可知（ ）

A．t1和t2时刻穿过线圈的磁通量为零

B．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量变化率为零

C．是从线圈平面与磁场方向平行的时刻开始计时的

D．每当感应电动势e变换方向时，穿过线圈的磁通量都最大

【变式一】一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图所示。由图可知（ ）

B．该交流电的频率为25 Hz

C．该交流电的电压的有效值为V

D．若将该交流电压加在阻值为R=100XXXXX的电阻两端，则电阻消耗的功率是50 W

总结升华：　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

【变式二】[2011XXXXX天津卷] 在匀强磁场中，一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动，如图1所示．产生的交变电动势的图象如图2所示，则(　　)

A．t＝0.005 s时线框的磁通量变化率为零

B．t＝0.01 s时线框平面与中性面重合

C. 线框产生的交变电动势有效值为311 V

D. 线框产生的交变电动势频率为100 Hz

类型四：非正弦交流电有效值的计算

例4．如图所示交变电流正值为某一正弦交变电流更换负值后i―t图象，求该交变电流的有效值。

思路点拨：当一个非正弦交流电的前半个周期和后半周期变化规律不变或者不对称时，应分别计算这两段时间内交变电流产生的焦耳热，然后运用有效值的概念进行计算，即Q1+Q2=I2RT。

总结升华：　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

【变式】如图甲所示的直流电通过图乙中的电阻R，则交变电流表的示数为多少？

类型五：交流电路中有效值和平均值的意义和运用

s内流过电阻R上的电量（设线圈从垂直中性面开始转动）。

总结升华：　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

例6、将硬导线中间一段折成不封闭的正方形，边长为，它在磁感应强度为B、方向如图的匀强磁场中匀速转动，转速为n，导线在a、b两处通过电刷与外电路连接，外电路接有额定功率为P的小灯泡并正常发光，电路中除灯泡外，其余部分的电阻不计，灯泡的电阻应为（ ）

思路点拨：首先弄清不封闭正方形线圈产生的电压或电流是正弦交流电，然后求出电动势的最大值，明确外电路进行计算。

总结升华：　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

类型六：电阻、感抗、容抗对交流电的阻碍作用的比较

例7．如图所示，当交流电源的电压（有效值）U=220 V，频率f=50 Hz，3只灯L1、L2、L3的亮度相同（L无直流电阻），若将交流电源的频率变为f=100 Hz，则

A．L1灯比原来亮 B．L2灯比原来亮

C．L3灯和原来一样亮 D．L3灯比原来亮

拓展：若将电源改为U=220 V的直流电源，则情况又如何？

【变式】交变电流通过一段长直导线时，电流为I，如果把这根长直导线绕成线圈，再接入原电路，通过线圈的电流为I＇，则

A．I＇＞I B．I＇＜I C．I＇＝1 D．无法比较

☆例1．如图是一种电风扇调速器的内部结构，在一个日字形的铁芯上绕了数百匝线圈，每隔数十匝就有一个抽头，分别接在触点2～5上。试说明调速器各档转速的高低和原理。

例2．有一交流电压的变化规律为u=311sin314t V，若将一辉光电压是220 V的氖管接上此交流电压，则在1 s钟内氖管发光的时间是多少？

要想学习成绩好，总结测评少不了！课后复习是学习不可或缺的环节，它可以帮助我们巩固学习效果，弥补知识缺漏，提高学习能力。

（一）正弦交流电的三要素

（1）最大值：，其中v表示线圈切割磁感线的线速度，表示线圈转动过程的　　 　　。

（3）初相位：计时起点t=0时刻线圈平面与中性面所夹的角。

说明：三要素明确之后，正弦交流电的瞬时值表达式便可以顺利地写出，即e= 。

（二）将正弦交流电产生过程中线圈的位置、表示变化规律的图象上的点、解析式的值三者对应起来形成对正弦交流电的状态和变化规律的准确、完整的认识。

（三）理解中性面的特殊意义

（1）e=　　 　　，i=　　　 　，但最　　。

（3）是交流电方向变化的位置。（对于日常使用的正弦交流电f=　　　　Hz，方向每秒钟改变　　　　次）

（四）对交变电流的有效值的理解

（1）交变电流的有效值是根据电流的　　　效应（电流通过电阻生热）进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热（或热功率）进行计算。计算时“相同时间”一般要取　　　　个周期的时间。半周期对称的可取半周期。

（2）常见的几种交流电的有效值

（五）交变电流的有效值和平均值的区别

交流有效值是根据　　效应规定的，即跟交流的热效应相等的直流电的值为交流的有效值，在计算热量、电功率时，应用此效值；

交流的平均值是交流图象中波形对时间轴所围的面积跟时间的比值，由于对时间所围面积的大小表示这段内通过的电荷量，因此计算通过导体的电荷量时，应用交流电的

值。平均值的计算须用和计算。

如单匝线圈在磁场中匀速转动产生正弦式交流电，当线圈从中性面转过90XXXXX角的过程中，其有效值为，其电动势的平均值。由此可知在计算中不能用有效值来代替平均值，平均值也不能代替有效值。

（六）电阻、容抗和感抗的对比

定向移动的自由电荷与不动的离子间的碰撞

由于电感线圈自感现象阻碍电流的变化

电容器两极板上积累的电荷对这个方向定向移动的电荷的反抗作用

只对　　　　的电流有阻碍作用

不能通　 流，只通　　

的电流。对直流的阻碍作用无限大，对交流的阻碍作用随频率的降低而　　

由导体本身（　　、粗细、材料）决定，与温度有关，

由导体本身的自感系数和交流电的

电流通过电阻做功，电能转化为内能

知识点：交流电的产生和变化规律；电感、电容对交变电流的影响

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所谓的交流电是指流动大小以及方向都有出现周期性改变的一种电流，其方向一般都是没有正负之分的，而直流电是指在一定时间范围内，流动方向以及大小并没有出现任何变化、非常稳定的一种电流，是恒流电的其中一种，其流动方向一般都是有正负之分的。