3.1 交流电及其物理量（课件）-高二《电工电子技术与技能》同步教学（北京出版社）

第3章 交流电路 3.1 交流电及其物理量 3.3 交流电路的功率 3.2 交流电路中的元件 3.4 三相交流电路 3.5 实训：三相负载的连接与测量 在日常的生活和企业的生产中除了使用干电池、蓄电池等直流电源外、人们更多地使用电网提供的交流电源。交流电源具有方便、经济、环保等优点，得到非常广泛的应用。许多家用电器，如电视机、洗衣机、空调等都利用交流电作为电源。 本章主要介绍交流电路的基本物理量、交流电的表达方式、交流电中的元件、交流电的功率、交流电的应用等内容。 2 3.1 交流电及其物理量 3.1.1 交流电与交流电源 交流电一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦交流电。图3.2是利用示波器测量交流电的电压波形图。 3 1.交流电的产生 让一个矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，观察电流计的指针，可以看到，指针随着线圈的转动而摆动。仔细观察可以看到，线圈每转动一周，指针左右摆动一次。这表明实验中感应电流的大小和方向都随时间发生周期性的变化。这种大小和方向都随时间作周期性变化的电流叫交流电。 3.1 交流电及其物理量 3.1.1 交流电与交流电源 4 2.交流电的波形图 我们也可以将交流电的变化规律用波形图直观地表示出来。 从图中可以看出，线圈平面每经过中性面一次，感应电动势和感应电流的方向就改变一次。由此我们知道线圈转动一周，它们的方向就改变两次，并且线圈每转过一周，e将恢复到初始值，在以后的转动中将周期性地重复以前的变化。 3.1 交流电及其物理量 3.1.1 交流电与交流电源 3.交流电源 交流电源一般指为电路提供交流电的电源。交流电源和直流电源相比，有许多明显的优势：交流电可以方便地变换电压；交流电机在结构上比直流电机简单；在需要直流的地方还可以很方便地采用电子整流装置将交流电转化为直流电源。目前交流电源得到了广泛的应用。 5 1.瞬时值、最大值和有效值 3.1 交流电及其物理量 3.1.2 交流电中的物理量 瞬时值 01 有效值 03 最大值 02 交流电在变化过程中，每一时刻的值都不同，该值称为瞬时值。瞬时值是时间的函数，只有具体指出在哪一时刻，才能求出确切的数值和方向。瞬时值规定用小写字母表示，如e、u、i等。 交流电的最大值（Im，Um）是交流电在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来示交流电的电流强弱或电压高低，在实际中有重要意义。 交流电的最大值不适于用来表示交流电产生的效果。在实际中通常用有效值来表示交流电的大小。交流电的有效值是根据电流热效应来规定的。让交流电和直流电通过相同阻值，如果它们在相同时间内产生的热量相等，就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。 6 2.周期、频率和角频率 我们把交流电完成一次周期性变化所需要的时间，叫做交流电的周期，通常用T表示，单位是秒。交流电在1秒内完成周期性变化的次数，叫做交流电的频率，通常用f表示，单位是赫兹（Hz）。 根据定义，周期和频率的关系是： 正弦量的变化规律用角频率描述是很方便的。通常交流电变化一周可用360度或2π来计量。每秒钟所变化的角度（电角底）叫角频率，用ω表示，单位是弧度/秒（rad/s），角频率与频率、周期之间有如下关系： 3.1 交流电及其物理量 3.1.2 交流电中的物理量 7 3.初相位、相位和相位差 正弦交变电动势 ，它的瞬时值随着电角度 的变化而变化。电角度 叫做正弦交流电的相位。当t = 0时的相位叫初相位。两个同频率的正弦交流电的相位之差叫相位差。相位差表示两正弦量到达最大值的先后差距。 综上所述，交流电的最大值、频率和初相位叫做交流电的三要素。三要素分别描述了交流电的大小、变化快慢和起始状态。当三要素决定后，交流电就可以唯一地确定了。 3.1 交流电及其物理量 3.1.2 交流电中的物理量 8 交流电常用的表示方法有解析式（瞬时值表达式）、波形图、相量图（矢量图）等。 3.1 交流电及其物理量 3.1.3 交流电中的物理量 解析式（瞬时值表达式） 相量（矢量）图表示法 波形图表示法 1 2 3 正弦交流电也可以用旋转矢量来表示。 正弦交流电可用与函数式相对应正弦曲线波形图来描述，如图所示。图中的横坐标表示时间或ωt，纵坐标表示随时间变化的电动势、电压和电流的瞬时值，可以在图形上反映出最大值、周期、初相位等要素。 9 3.相量（矢量）图表示法 以正弦交流电流 为例。在平面直角坐标系，从原点作一矢量，使其最大值等于电流的最大值，矢量与横轴的夹角为 ，矢量以角速度逆时针旋转，这样，旋转矢量在任意瞬间与横轴的夹角就是电流的相柆，它在纵轴上的投影就是对应瞬时的