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1、交变电流第一节第1页，共54页，编辑于2022年，星期四第2页，共54页，编辑于2022年，星期四知识导航知识导航本本章章研研究究的的交交变变电电流流知知识识，有有着着广广泛泛的的应应用用，与与生生产产和和生生活活实实际际有有着着密密切切的的联联系系交交变变电电流流的的产产生生及及其其描描述述方方法法，交交变变电电流流的的基基本本规规律律及及其其应应用用变变压压器器、电电能能的的输输送送等等知知识识是是前前面面所所学学知知识识的的具具体体应应用用，有有综综合合性性，又又能能广广泛泛联系实际，对于开阔思路、提高思维能力是非常有益的联系实际，对于开阔思路、提高思维能力是非常有益的第3页，共54页，
2、编辑于2022年，星期四交交变电变电流的流的变变化化规规律和描述交律和描述交变电变电流特征的物理量是流特征的物理量是交交变电变电流的基本知流的基本知识识，是，是这这一部分的核心内容交一部分的核心内容交变电变电流流的的产产生是根据生是根据电电磁感磁感应应知知识识引伸而来，起了承前启后的作引伸而来，起了承前启后的作用用变压变压器是器是对对交交变电变电流知流知识识和前面知和前面知识识的的扩扩展和展和应应用，用，又又为为后后续续将要学将要学习习的的电电磁振磁振荡荡和和电电磁波等知磁波等知识识奠定了重要奠定了重要的基的基础础第4页，共54页，编辑于2022年，星期四本本章章可可分分为为三三个个单单元元：
3、第第一一单单元元(第第1、2节节)讲讲授授交交流流电电的的产产生生和和变变化化规规律律；讲讲授授表表征征交交变变电电流流的的物物理理量量第第二二单单元元(第第3节节)讲讲授授电电感感和和电电容容对对交交变变电电流流的的影影响响第第三三单单元元(第第4、5节节)讲讲授授变压变压器的工作原理和器的工作原理和远远距离距离输电输电本本章章的的重重点点是是交交变变电电流流的的产产生生、变变化化规规律律和和变变压压器器的的工工作作原原理理，难难点点是是正正弦弦交交流流电电的的描描述述及及变变压压器器的的实实际际应应用用第5页，共54页，编辑于2022年，星期四学法指导学法指导为为了了学学好好本本章章知知识
4、识，首首先先要要联联系系前前面面所所学学的的电电磁磁感感应应的有关知识，理解交流电的产生和变化规律的有关知识，理解交流电的产生和变化规律其其次次要要比比较较交交流流电电与与直直流流电电通通过过电电阻阻、电电感感、电电容容器器等元件所表现出来的性质和特点等元件所表现出来的性质和特点最最后后要要联联系系生生产产生生活活实实际际，联联系系现现代代科科技技成成果果，输输电电工工程程属属于于知知识识密密集集型型工工程程，在在学学习习的的过过程程中中，要要注注意意理理论论联系实际，要善于知识的迁移、综合和应用联系实际，要善于知识的迁移、综合和应用第6页，共54页，编辑于2022年，星期四考纲须知考纲须知考
5、点内容考点内容要求要求1.交交变电变电流、交流、交变电变电流的流的图图象象2.正弦交正弦交变电变电流的函数表达式、峰流的函数表达式、峰值值和有效和有效值值3.理想理想变压变压器器4.远远距离距离输电输电第7页，共54页，编辑于2022年，星期四第8页，共54页，编辑于2022年，星期四第9页，共54页，编辑于2022年，星期四知道什么是交知道什么是交变电变电流流掌握交掌握交变电变电流的流的产产生及生及变变化化规规律律理解正弦交流理解正弦交流电电的的图图象及表达式象及表达式第10页，共54页，编辑于2022年，星期四第11页，共54页，编辑于2022年，星期四我我们们的日常生活离不开的日常生活离
6、不开电电，城市的灯火，城市的灯火辉辉煌、工厂里煌、工厂里的机器的机器轰鸣轰鸣，一切都离不开，一切都离不开电电(如如图图所示是所示是实验实验室手室手摇发摇发电电机机)长长江三峡水力江三峡水力发电发电站已投入生站已投入生产产，各地火力，各地火力发电发电厂比厂比比皆是，它比皆是，它们们的共同之的共同之处处就是生就是生产产和和输输送的大多都是交送的大多都是交变变电电流什么是交流什么是交变电变电流？与直流流？与直流电电流有什么不同？它又是流有什么不同？它又是如何如何产产生的呢？生的呢？第12页，共54页，编辑于2022年，星期四第13页，共54页，编辑于2022年，星期四1大小和方向都大小和方向都_，这
7、样这样的的电电流叫做交流叫做交变电变电流，流，例如家庭例如家庭电电路中的路中的电电流流2下下图图是交流是交流发电发电机的示意机的示意图图为为了了观观察清楚，察清楚，图图中中只画出了一匝只画出了一匝线线圈，它的圈，它的ab边连边连在金属滑在金属滑环环K上，上，cd边连边连在在滑滑环环L上；两个滑上；两个滑环环通通过过金属片做的金属片做的电电刷刷A、B和外和外电电路相路相连连线线圈沿逆圈沿逆时针时针方向方向转动转动我我们观们观察察ab这这段段导线导线根据根据右手定右手定则则可以判断，当可以判断，当线线圈圈转转到到图图乙的位置乙的位置时时，电电流流_流流动动，而当，而当线线圈圈转转到到图图丁的位置丁
8、的位置时时，则则_流流动动；在；在图图丙和丙和图图戊的位置，因戊的位置，因为为_，电电路中没路中没有感有感应电应电流流线线圈在不断圈在不断转动转动，电电路中路中电电流的方向也就流的方向也就_交交变电变电流就是流就是这样产这样产生的生的第14页，共54页，编辑于2022年，星期四第15页，共54页，编辑于2022年，星期四3对对正正弦弦式式交交变变电电流流，线线圈圈的的电电动动势势瞬瞬时时值值表表达达式式e_；用用电电器器两两端端的的电电压压瞬瞬时时值值表表达达式式u_；流；流过过用用电电器的器的电电流瞬流瞬时值时值表达式表达式i_.答案答案：1.随随时间时间做周期性做周期性变变化的化的电电流流
9、2由由a向向b；由由b向向a；导导线线ab的的运运动动方方向向和和磁磁感感线线平平行行；不断改不断改变变3Emsint；Umsint；Imsint第16页，共54页，编辑于2022年，星期四第17页，共54页，编辑于2022年，星期四(1)交交变变电电流流：大大小小和和方方向向都都随随时时间间做做周周期期性性变变化化的的电电流，叫做交变电流，简称交流流，叫做交变电流，简称交流(AC)说明：说明：方向不变的电流叫直流电方向不变的电流叫直流电(DC)大小不变方向改变的电流也是交变电流大小不变方向改变的电流也是交变电流第18页，共54页，编辑于2022年，星期四如下如下图图所示所示图图象中属于交流象
10、中属于交流电电的有的有 ()答案答案：ABC解解析析：图图A、B、C中中e的的方方向向均均发发生生了了变变化化，故故它它们们属属于交流电正确答案为于交流电正确答案为A、B、C.第19页，共54页，编辑于2022年，星期四点点评评：判判断断电电流流为为交交变变电电流流还还是是直直流流电电就就看看方方向向是是否否变变化化如如D选选项项，尽尽管管大大小小随随时时间间变变化化的的图图象象与与A相相似似，但但因其方向不变，仍是直流电因其方向不变，仍是直流电.第20页，共54页，编辑于2022年，星期四(1)(1)按按正正弦弦规规律律变变化化的的交交变变电电流流叫叫做做正正弦弦式式交交变变电电流流，简简称
11、正弦式称正弦式电电流，是一种最流，是一种最简单简单又是最基本的交又是最基本的交变电变电流流(2)(2)产产生生原原理理：线线圈圈在在匀匀强强磁磁场场中中绕绕垂垂直直于于磁磁场场方方向向的的轴轴匀匀速速转转动动时时，线线圈圈中中就就会会产产生生大大小小和和方方向向均均随随时时间间作作周周期性期性变变化的化的电动势电动势，即交，即交变电动势变电动势，如，如图图所示所示第21页，共54页，编辑于2022年，星期四(3)(3)中中性性面面：当当线线圈圈转转动动到到其其平平面面与与磁磁感感线线垂垂直直的的位位置置时时，线线圈所在的平面叫做中性面圈所在的平面叫做中性面线线圈圈位位于于中中性性面面时时，线线
12、圈圈中中的的各各个个边边均均不不切切割割磁磁感感线线，穿穿过过线线圈圈的的磁磁通通量量最最大大，磁磁通通量量的的变变化化率率为为零零，感感应应电动势电动势、感、感应电应电流的瞬流的瞬时值时值均均为为零零线线圈圈每每次次通通过过中中性性面面时时，其其内内部部的的电电流流方方向向就就要要发发生生改改变变线线圈圈转转动动一一周周经经过过中中性性面面两两次次，感感应应电电流流的的方方向向改改变变两次两次第22页，共54页，编辑于2022年，星期四(4)(4)我国工我国工农业农业生生产产及生活使用的交及生活使用的交变电变电流流(即市即市电电)都都是正弦式是正弦式电电流流第23页，共54页，编辑于2022
13、年，星期四特别提醒：特别提醒：（1）在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变化）在线圈转动过程中，磁通量最大时，磁通量变化率恰好为零；磁通量为零时，磁通量变化率恰好最大率恰好为零；磁通量为零时，磁通量变化率恰好最大.（2）感应电动势的大小由磁通量变化率决定，与磁通）感应电动势的大小由磁通量变化率决定，与磁通量的大小没有直接关系量的大小没有直接关系.第24页，共54页，编辑于2022年，星期四下下图图中哪些情况中哪些情况线线圈中圈中产产生了交流生了交流电电 ()第25页，共54页，编辑于2022年，星期四答案答案：BCD解解析析：紧紧扣扣正正弦弦交交流流电电产产生生的的条条件件可可知知，轴轴必必
14、须须垂垂直直于磁感线，但对线圈的形状没有特别要求于磁感线，但对线圈的形状没有特别要求.第26页，共54页，编辑于2022年，星期四(1)(1)函函数数形形式式：电电动动势势瞬瞬时时值值e eE Em msinsintt；电电压压的的瞬瞬时值时值u uU Um msinsintt；电电流的瞬流的瞬时值时值i iI Im msinsintt；(2)(2)图图象象形形式式：用用正正弦弦(或或余余弦弦)曲曲线线表表示示交交变变电电流流随随时时间间的的变变化化规规律，如下律，如下图图所示所示第27页，共54页，编辑于2022年，星期四(3)特点分析：特点分析：第28页，共54页，编辑于2022年，星期四
15、线圈转动过程中的平均电动势如何求？线圈转动过程中的平均电动势如何求？答案答案：线线圈在圈在转动过转动过程中某一段程中某一段时间时间内或从一个位置内或从一个位置到另一个位置的到另一个位置的过过程中所程中所产产生的生的电动势电动势，称，称为为平均平均电动势电动势，它不等于始、末两它不等于始、末两时时刻瞬刻瞬时值时值的平均的平均值值，必，必须须用法拉第用法拉第电电磁感磁感应应定律定律计计算，即算，即 同理，同理，计计算交算交变电变电流在某段流在某段时间时间内通内通过导过导体横截面的体横截面的电电荷量，也必荷量，也必须须用平均用平均值值，即，即 第29页，共54页，编辑于2022年，星期四第30页，共
16、54页，编辑于2022年，星期四 如如图图所示，虚所示，虚线线OO的左的左边边存在着方向垂直于存在着方向垂直于纸纸面向面向里的匀里的匀强强磁磁场场，右，右边边没有磁没有磁场场单单匝矩形匝矩形线线圈圈abcd的的对对称称轴轴恰与磁恰与磁场场右右边边界重合，界重合，线线圈平面与磁圈平面与磁场场垂直垂直线线圈沿圈沿图图示方向示方向绕绕OO轴轴以角速度以角速度匀速匀速转动转动(即即ab边边先向先向纸纸外、外、cd边边先向先向纸纸里里转动转动)，规规定沿定沿abcda方向方向为为感感应电应电流流的正方向若从的正方向若从图图示位置开始示位置开始计时计时，下列四个，下列四个图图象中能正象中能正确表示确表示线
17、线圈内感圈内感应电应电流流i随随时间时间t变变化化规规律的是律的是()第31页，共54页，编辑于2022年，星期四第32页，共54页，编辑于2022年，星期四解析解析：ab一侧的线框在磁场中绕一侧的线框在磁场中绕OO转动产转动产生正弦交变电流，由楞次定律得电流方向为生正弦交变电流，由楞次定律得电流方向为dcba且且越来越大；越来越大；，ab一侧线框在磁场外，而一侧线框在磁场外，而dc一侧线框又一侧线框又进入磁场，产生交变电流，电流方向为进入磁场，产生交变电流，电流方向为dcba且越来且越来越小，以此类推，可知越小，以此类推，可知it图象为图象为B.答案答案：B 第33页，共54页，编辑于202
18、2年，星期四如如图图所示，一面所示，一面积为积为S的的单单匝矩形匝矩形线线圈圈处处于有界磁于有界磁场场中，中，能使能使线线圈中圈中产产生交生交变电变电流的是流的是 ()第34页，共54页，编辑于2022年，星期四A将将线线圈水平向右匀速拉出磁圈水平向右匀速拉出磁场场B使使线线圈以圈以OO为轴为轴匀速匀速转动转动C使使线线圈以圈以ab为轴为轴匀速匀速转动转动D磁磁场场以以BB0sint规规律律变变化化答案答案：BCD解解析析：将将线线圈圈向向右右拉拉出出磁磁场场时时，线线圈圈中中电电流流方方向向不不变变，A错错，B、C两两种种情情况况下下产产生生交交变变电电流流，只只是是在在C情情况况下下当当线
19、线圈圈全全部部位位于于磁磁场场外外的的一一段段时时间间内内线线圈圈内内没没有有电电流流，由由法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律可可知知D种种情情况况下下产产生生按按余余弦弦规规律律变变化化的的电流，电流，B、C、D对对.第35页，共54页，编辑于2022年，星期四 如下如下图图(a)所示，所示，“匚匚”形金属形金属导轨导轨水平放置，水平放置，导轨导轨上上跨接一金属棒跨接一金属棒ab，与，与导轨导轨构成构成闭闭合回路，并能在合回路，并能在导轨导轨上自上自由滑由滑动动在在导轨导轨左左侧侧与与ab平行放置的平行放置的导线导线cd中通以下中通以下图图(b)所示的交所示的交变电变电流，流，规规定定电电
20、流方向自流方向自c向向d为为正，正，则则ab棒受到棒受到向左的安培力的向左的安培力的时间时间是是 ()第36页，共54页，编辑于2022年，星期四A0t1Bt1t2Ct2t3 Dt3t4解解析析：0t1时时间间内内，电电流流i由由cd且且逐逐渐渐增增大大，由由安安培培定定则则及及楞楞次次定定律律可可判判定定：闭闭合合回回路路中中的的磁磁场场方方向向垂垂直直纸纸面面向向里里，金金属属棒棒ab中中的的电电流流方方向向由由ab，再再由由左左手手定定则则可可判判定定，此此时时ab棒棒所所受受安安培培力力向向左左选选项项A正正确确同同理理可可判判断断出出t1t2时时间间内内，t3t4时时间间内内ab棒棒
21、所所受受安安培培力力向向右右，t2t3时间内时间内ab棒所受安培力向左棒所受安培力向左答案答案：AC第37页，共54页，编辑于2022年，星期四点评：点评：本题是安培定则、楞次定律及左手定则与交流本题是安培定则、楞次定律及左手定则与交流电变化规律的综合判断题分析时从电变化规律的综合判断题分析时从cd中电流的变化规律中电流的变化规律出发，对各时间段内的电流变化引起的磁通量变化、感应出发，对各时间段内的电流变化引起的磁通量变化、感应电流的产生、电流在磁场中的受力方向逐一做出判断电流的产生、电流在磁场中的受力方向逐一做出判断第38页，共54页，编辑于2022年，星期四(2010南南京京六六中中高高二
22、二期期中中)一一矩矩形形线线圈圈，绕绕垂垂直直于于匀匀强强磁磁场场并并位位于于线线圈圈平平面面内内的的固固定定轴轴转转动动，线线圈圈中中的的感感应应电电动动势势e随随时间时间t变变化如化如图图所示，下面所示，下面说说法正确的是法正确的是 ()第39页，共54页，编辑于2022年，星期四At1时时刻通刻通过线过线圈的磁通量圈的磁通量为为零零Bt2时时刻通刻通过线过线圈的磁通量的圈的磁通量的绝对值绝对值最大最大Ct3时时刻通刻通过线过线圈的磁通量圈的磁通量变变化率的化率的绝对值绝对值最大最大D每每当当e变变换换方方向向时时，通通过过线线圈圈的的磁磁通通量量绝绝对对值值都都为为最大最大第40页，共5
23、4页，编辑于2022年，星期四答案答案：D解解析析：t1、t3时时刻刻线线圈圈中中的的感感应应电电动动势势e0，故故为为线线圈圈通通过过中中性性面面的的时时刻刻，此此时时线线圈圈的的磁磁通通量量应应为为最最大大，磁磁通通量量的变化率为零故的变化率为零故A、C不正确不正确t2时时刻刻eEm，应应为为线线圈圈平平面面转转至至与与磁磁感感线线平平行行时时刻刻，磁磁通通量量为为零零，磁磁通通量量的的变变化化率率最最大大，B也也不不正正确确每每当当e变变换换方方向向时时，也也就就是是线线圈圈通通过过中中性性面面的的时时刻刻，通通过过线线圈圈的的磁磁通量绝对值最大，通量绝对值最大，D正确正确.第41页，共
24、54页，编辑于2022年，星期四如如图图所所示示，匀匀强强磁磁场场B0.1T，所所用用矩矩形形线线圈圈的的匝匝数数N100，边边长长ab0.2m，bc0.5m，以以角角速速度度100rad/s绕绕OO轴轴匀匀速速转转动动当当线线圈圈平平面面通通过过中中性性面面时时开开始始计计时时，试试求：求：第42页，共54页，编辑于2022年，星期四(1)线线圈中感圈中感应电动势应电动势的大小的大小解析解析：(1)解法一：线圈经过时间解法一：线圈经过时间t转过角度转过角度t，这，这时时bc和和da边不切割磁感线，边不切割磁感线，ab和和cd边切割磁感线产生感应边切割磁感线产生感应电动势电动势eabecdNB
25、abv vsint第43页，共54页，编辑于2022年，星期四第44页，共54页，编辑于2022年，星期四答案答案：(1)e314sin100tV(2)200V点点评评：解解决决此此类类题题目目首首先先要要搞搞清清正正弦弦式式电电流流产产生生的的原原理理，其其次次要要搞搞清清题题意意：第第(1)问问没没有有给给出出时时间间，即即要要求求写写出出感感应应电电动动势势随随时时间间t变变化化的的函函数数关关系系；第第(2)问问要要理理解解平平均均电电动动势势既既不不是是最最大大电电动动势势值值的的一一半半，也也不不是是等等于于历历时时一一半半时时间的瞬时电动势，必须由法拉第电磁感应定律求解间的瞬时电
26、动势，必须由法拉第电磁感应定律求解第45页，共54页，编辑于2022年，星期四有一有一10匝正方形匝正方形线线框，框，边长为边长为20cm，线线框框总电总电阻阻为为1，线线框框绕绕OO轴轴以以10rad/s的角速度匀速的角速度匀速转动转动，如，如图图所所示垂直于示垂直于线线框平面向里的匀框平面向里的匀强强磁磁场场的磁感的磁感应应强强度度为为0.5T.问问：第46页，共54页，编辑于2022年，星期四(1)该该线线框框产产生生的的交交变变电电流流电电动动势势最最大大值值、电电流流最最大大值值分分别别是多少？是多少？(2)线线框框从从图图示示位位置置转转过过60时时，感感应应电电动动势势的的瞬瞬时
27、时值值是是多大？多大？(3)写出感写出感应电动势应电动势随随时间变时间变化的表达式化的表达式第47页，共54页，编辑于2022年，星期四解解析析：(1)交交变变电电流流电电动动势势最最大大值值为为EmnBS100.50.2210V6.28V，电电流流的的最最大大值值为为ImEm/R6.28/1A6.28A.(2)线框转过线框转过60时，感应电动势时，感应电动势EEmsin605.44V.(3)由由于于线线框框转转动动是是从从中中性性面面开开始始计计时时的的，所所以以瞬瞬时时值值表达式为表达式为eEmsint6.28sin10tV.第48页，共54页，编辑于2022年，星期四磁磁铁铁在在电电器中
28、有广泛的器中有广泛的应应用，如用，如发电发电机，如机，如图图所示，所示，已知一台已知一台单单相相发电发电机机转转子子导线导线框共有框共有N匝，匝，线线框框长为长为L1，宽为宽为L2，转转子的子的转动转动角速度角速度为为，磁极，磁极间间的磁感的磁感应应强强度度为为B.导导出出发电发电机的瞬机的瞬时电动势时电动势E的表达式的表达式现现在知道有一种在知道有一种强强永磁材料永磁材料钕铁钕铁硼，用它制成硼，用它制成发电发电机的磁极机的磁极时时，磁感，磁感应应强强度度可增大到原来的可增大到原来的k倍，如果保持倍，如果保持发电发电机机结结构和尺寸、构和尺寸、转转子子转转动动角速度、角速度、产产生的生的电动势
29、电动势都不都不变变，那么，那么这时转这时转子上的子上的导线导线框需要多少匝？框需要多少匝？第49页，共54页，编辑于2022年，星期四第50页，共54页，编辑于2022年，星期四解析解析：设切割磁感线线圈边长是设切割磁感线线圈边长是L1，线圈从中性面开，线圈从中性面开始经过时间始经过时间t转过的角度为转过的角度为，则，则t，如图所示，由几何，如图所示，由几何关系知，线圈绕轴转动的线速度关系知，线圈绕轴转动的线速度v v在在t时刻与磁场时刻与磁场B的夹角也的夹角也为为第51页，共54页，编辑于2022年，星期四第52页，共54页，编辑于2022年，星期四当矩形当矩形线线圈在匀圈在匀强强磁磁场场中
30、匀速中匀速转动时转动时，会，会产产生正弦交生正弦交变电变电流，流，让电让电流通流通过过一小灯泡，小灯泡会亮，一小灯泡，小灯泡会亮，请请同学同学们们做做以下以下实验实验：找一：找一块块磁性比磁性比较较强强的蹄形磁的蹄形磁铁铁，把接在交流，把接在交流电电上的灯泡放入其中，使磁感上的灯泡放入其中，使磁感线线与灯与灯丝丝垂直，垂直，观观察灯察灯丝丝是否是否颤动颤动，然后把手，然后把手电电筒上筒上发发光的小灯泡放入磁光的小灯泡放入磁铁铁之中，之中，让让灯灯丝丝与磁感与磁感线线垂直，垂直，观观察灯察灯丝丝是否是否颤动颤动，试试解解释释你所你所观观察到察到的的现现象象第53页，共54页，编辑于2022年，星期四解析解析：灯泡灯丝垂直于磁场放置，磁场对电流有较强灯泡灯丝垂直于磁场放置，磁场对电流有较强的安培力，当灯泡通以交变电流时，由于电流大小和方向的安培力，当灯泡通以交变电流时，由于电流大小和方向周期性变化，安培力也周期性改变大小、方向，因此灯丝周期性变化，安培力也周期性改变大小、方向，因此灯丝会颤动；灯泡接手电筒电源时，由于电流大小、方向均不会颤动；灯泡接手电筒电源时，由于电流大小、方向均不发生变化，安培力大小、方向不变，因此不会发生颤动发生变化，安培力大小、方向不变，因此不会发生颤动第54页，共54页，编辑于2022年，星期四