3.1 交变电流 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第一节 交变电流 第三章 交变电流 授课人：万物之理 用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压波形。这两种波形各有 什么特点 用电器中电流、电压的大小和方向随时间做周期性变化，这样的电流叫作交变电流（alternating current，AC），简称交流 方向不随时间变化的电流称为直流（direct current，DC）。 恒定电流 脉动直流电流 我们已经学过了恒定电流。在恒定电流的电路中，电源的电动势不随时间变化，电路中的电流/电压也不随时间变化。但是在供给工农业生产和日常生活用电的电力系统中，由于发电机产生的电动势是随时间做周期性变化的，因而，很多用电器中的电流、电压也随时间做周期性变化。 把两个发光颜色不同的发光二极管并联，注意使两者正、负极的方向不同，然后连接到教学用发电机的两端。转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动。观察发光二极管的发光情况。 实验现象说明了什么？ 如图所示为教学发电机的原理图： 装置中两个磁力之间产生的磁场可近似为匀强电场，为了便于观察图中只画了几匝线圈。 线圈在转动的过程中，线圈的磁通量会发生变化，线框左右两边在切割磁感线，电路闭合后便产生感应电流。 问题：产生的感应电流方向为什么会发生变化呢？ 交变电流的产生原理 思考与讨论： 假定线圈逆时针方向匀速转动，如图所示。我们考虑下面几个问题。 1、在线圈由甲图转到乙图所示位置的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？ 2、在线圈由丙图转到丁图所示位置的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？ 3、转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈的电流最大？ 甲 乙 丙 丁 E=0、I=0 × • 电流：B→A→D→C→B × • I 电流：C→D→A→B→C I 电流方向具有周期性变化的特点。 交变电流的产生原理 假设电流从E经过负载流向F的方向记为正，反之为负，在横坐标轴上标出线圈到达图中甲、乙、丙、丁几个位置时对应的电流(图3.1-4),大致画出感应电流随时间变化的曲线。 猜想：电流随时间变化具有什么规律呢？ 交变电流的变化规律 交变电流的变化规律 设磁感应强度是B，AB、CD长为l，AD、BC宽为d，线圈匀速转动的角速度是ω，设t＝0时线圈所在平面与磁场反向刚好垂直，则t时刻线圈产生的电动势为多少？ 交变电流的变化规律 A(B) D(C) B v A D · × 中性面 线圈与中性面的夹角是多少？ AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？ AB边的速度多大？ t AB边中的感应电动势多大？ A(B) D(C) B v A D t · × 此时线圈中的感应电动势多大？ 这样的发电机产生的电流大小和方向有什么特点？ ⑥若线圈由N匝组成，此时感应电动势多大？ 设磁感应强度是B，AB、CD长为l，AD、BC宽为d，线圈匀速转动的角速度是ω，设t＝0时线圈所在平面与磁场反向刚好垂直，则t=t时刻线圈产生的电动势为多少？ 交变电流的变化规律 交变电流的变化规律 交流发电机的电动势按正弦规律变化，所以当负载为电灯等纯电阻用电器时，负载两端的电压 u、流过的电流 i，也按正弦规律变化，即： （1） 其中 （2） （3） 式中 Um 和 I m 分别是电压和电流的最大值，也叫峰值（peakvalue），而 e、u、i 则是相应的物理量的瞬时值。这种按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流（sinusoidal current）。图 3.1-6 是正弦式交变电流电动势 e、电流 i 和电压 u 随时间变化的图像 正弦式电流是最简单、最基本的交变电流。电力系统中应用的大多数是正弦式电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流。 常见的交变电流 发电厂里的交流发电机的构造比图 3.1-3 复杂得多，但是基本组成部分也是两部分，即产生感应电动势的线圈（通常叫作电枢）和产生磁场的磁体。电枢转动，磁极不动的发电机，叫作旋转电枢式发电机。如果磁极转动，电枢不动，线圈中同样会产生感应电动势，这种发电机叫作旋转磁极式发电机。不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。 交流发电机 旋转电枢式发电机转子产生的电流，必须像图 3.1-3 那样经过裸露的滑环和电刷引到外电路，如果电压很高，可能发生火花放电，滑环和电刷很快会烧坏。同时，转动的 电枢无法做得很大，线圈匝数也不可能很多，所以产生的感应电动势也不能很高。这种发电机输出的电压一般不超过 500 V。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。 所以，大多数发电机是旋转磁极式的。发电机的转子 （图 3.1-8）由蒸汽轮机、水轮机等带动。蒸汽轮机、 水轮机等将机械能传递给发电机，发电机将机械能转 化为电能，输送给外电路。 交流发电机 拓展 A(B) D(C) B v A D · × 中性面 线圈在中性面位置记为0时刻，逆时针方向以角速度匀速转动，则t时刻时， 线圈磁通量 根据法拉第电磁感应定律 得出： 从这个角度来看，不论线圈是什么形状，不论转轴在什么位置，只要轴垂直于磁场就可以产生正弦式交流电。 B v A(B) D(C) 中性面 ωt t = 0 若线圈从中性面的垂面（峰值面）开始计时，在t 时刻线圈中的感应电动势是多少？ 拓展 线圈磁通量 根据法拉第电磁感应定律 得出： 物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电 交变电流 交流发电机 交变电流的变化规律 电枢 磁极 交变电流的产生 课堂总结 练习与应用 1. 有人说，在图 3.1-3 中，线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大，因而线圈中的感应电动势最大；线圈平面跟中性面垂直的瞬间穿过线圈的磁通量为 0，因而感应电动势为 0。这种说法对不对？为什么？ 2. 图 3.1-3 中，设磁感应强度为 0.01 T，单匝 线 圈 长 AB 为 20 cm， 宽 BC 为 10 cm， 转 速n ＝ 50 r/s，求线圈转动时感应电动势的最大值。 练习与应用 3. 一台发电机产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值 ＝ 400 V，线圈匀速转动的角速度 ω ＝ 314 rad/s，试写出电动势瞬时值的表达式（设 0 时刻电动势瞬时值为 0）。如果这台发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2 kΩ，电路中电流的峰值为多少？写出电流瞬时值的表达式。 练习与应用 4. 如图 3.1-9 所示，KLMN 是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为 B 的水平方向的匀强磁场中，线框面积为 S，MN 边水平，线框绕某一竖直固定轴以角速度 ω 匀速转动。在 MN 边与磁场方向的夹角到达 30° 的时刻（图 示位置），导线框中产生的瞬时电动势 e 的大小是多少？标出线框此时的电流方向。已知线框按俯视的逆时针方向转动。 $