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1、3.1 交变电流 1831年法拉第发现了电磁感应现象，为人类进入电气化时代打开了大门今天我们使用的电灯、微波炉等家用电器中的交流电是怎样产生的并且怎样送到我们的家庭中来的呢？这就是这一章要学习的主要内容，先看“交变电流的产生”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的波形。这两种波形各有什么特点？电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点？情景导引：观察交变电流的方向情景导引：观察交变电流的方向一、交变电流1.恒定电流：大小方向都不随时间变化的电流。2.直流电：方向不随时间变化的电流叫做直流
2、电，简称直流（DC）。3.交流电：方向随时间做周期性变化的电流叫做 交流电，简称交流（AC）。常见交流电的种类：【典例典例1】如图所示，属于交流电的是如图所示，属于交流电的是()C一、交变电流思考判断：思考判断：(1)交交变电流的大小一定随流的大小一定随时间变化。化。()(2)大小和方向都不随大小和方向都不随时间变化的化的电流才是直流流才是直流电。()(3)交交变电流流的的大大小小可可以以不不变，但但方方向向一一定定随随时间周周期期性性变化化。()(4)交交变电流不流不稳定，很容易定，很容易“烧坏坏”家用家用电器。器。()如何产生如何产生交流电交流电呢？呢？一、交变电流二、交变电流的产生KAF
3、ELDCB线圈在匀强磁场中绕线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴垂直于磁场的轴逆时针匀速转动逆时针匀速转动交流发电机的基本构造1.交变电流的产生过程分析A(B)A(B)D(C)D(C)A(B)A(B)D(C)D(C)A(B)A(B)D(C)D(C)A(B)A(B)D(C)D(C)二、交变电流的产生立体图平面图ABCD问题问题问题问题:当线圈在磁场中绕轴转动时当线圈在磁场中绕轴转动时当线圈在磁场中绕轴转动时当线圈在磁场中绕轴转动时,哪些边切割磁感线哪些边切割磁感线哪些边切割磁感线哪些边切割磁感线?vBvBvBvB，没有边切割磁感线。，没有边切割磁感线。，没有边切割磁感线。，没有边切割磁感线。起始位置
4、起始位置起始位置起始位置特点：特点：特点：特点：1.BS1.BS1.BS1.BS，最大最大最大最大 2.2.2.2.没有切割，没有切割，没有切割，没有切割，E=0E=0E=0E=0，I=0I=0I=0I=0 此时位置称之为此时位置称之为此时位置称之为此时位置称之为-中性面中性面中性面中性面 BSBSBSBS，最大最大最大最大E=0E=0E=0E=0，I=0I=0I=0I=0二、交变电流的产生 EFA(B)D(C)ABCD向左转过向左转过向左转过向左转过90909090度度度度a a a a（b b b b）、）、）、）、d d d d（c c c c）边）边）边）边垂直垂直垂直垂直切割磁感应线
5、，切割磁感应线，切割磁感应线，切割磁感应线，特点：特点：特点：特点：1.BS1.BS1.BS1.BS，=0=0=0=0，E E最大最大，I I I I最大，最大，最大，最大，E E E E最大，最大，最大，最大，I I I I最大最大最大最大2.2.2.2.感应电流方向感应电流方向感应电流方向感应电流方向DCBADCBADCBADCBABSBSBSBS，=0=0=0=0二、交变电流的产生 EFABCDD(C)A(B)B转过转过180180度度vBvBvBvB，没有边切割磁感线。，没有边切割磁感线。，没有边切割磁感线。，没有边切割磁感线。特点：特点：特点：特点：BSBSBSBS，最大最大最大最大
6、 没有切割，没有切割，没有切割，没有切割，E=0E=0E=0E=0，I=0I=0I=0I=0此时位置称之为此时位置称之为-中性面中性面中性面中性面 BS BS BS BS，最大，最大，最大，最大，E=0E=0E=0E=0BSBSBSBS，最大最大最大最大二、交变电流的产生 EFABCDD(C)A(B)B转过转过转过转过270270270270度度度度特点：特点：特点：特点：1.BS1.BS1.BS1.BS，=0=0=0=0，E E E E最大，最大，最大，最大，I I I I最大，最大，最大，最大，a a a a（b b b b）、）、）、）、d d d d（c c c c）边）边）边）边垂直
7、垂直垂直垂直切割磁感应线，切割磁感应线，切割磁感应线，切割磁感应线，E E E E最大，最大，最大，最大，I I I I最大最大最大最大 2.2.2.2.感应电流方向感应电流方向感应电流方向感应电流方向ABCDABCDABCDABCDBSBSBSBS，=0=0=0=0二、交变电流的产生 EF此此时时线线圈圈具具有有的的特特点点1.线圈平面与磁场线圈平面与磁场垂直垂直(BS)，速度方向与磁场方向，速度方向与磁场方向平行平行(B/v)2.磁通量磁通量:3.感应电动势感应电动势:5.感应电流感应电流:4.磁通量的变化率磁通量的变化率:vv=BS 最大最大E=0/t=0I=0二、交变电流的产生2.两个
8、特殊面此此时时线线圈圈具具有有的的特特点点1.线圈平面与磁场线圈平面与磁场平行平行(B/S)，速度方向与磁场方向，速度方向与磁场方向垂直垂直(Bv)2.磁通量磁通量:3.感应电动势感应电动势:5.感应电流感应电流:4.磁通量的变化率磁通量的变化率:vv=0E=BLv 最大最大/t 最大最大I最大最大我们称为平行面（峰值面）二、交变电流的产生2.两个特殊面 线圈处在磁感应强度是线圈处在磁感应强度是B B 的匀强磁场中，的匀强磁场中，ABAB、CDCD宽宽L L1 1，ADAD、BCBC长长L L2 2 ，线圈平面从，线圈平面从中性面中性面沿逆时针方沿逆时针方向开始转动，角速度是向开始转动，角速度
9、是经过时间经过时间t t，推导此时线，推导此时线圈中产生瞬时感应电动势圈中产生瞬时感应电动势.线圈与中性面的夹角是多少？AB边的速度多大？AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？三、交变电流的变化规律3.电动势和电流随时间变化的推导v11vBvA(B)D(C)t=0AB边中的感应电动势多大？线圈中的感应电动势多大？AB、CD等效为两个串联的电源等效为两个串联的电源v11vBvA(B)D(C)t=0三、交变电流的变化规律若为N匝线圈：其中：为电动势的最大值（峰值）3.电动势和电流随时间变化的推导线圈中电流随时间变化？为电动势的瞬时值从瞬时值可以看出：从瞬时值可以看出：从瞬时值可以看出：从瞬时值可以看
10、出：矩形矩形矩形矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流的转轴匀速转动时，所产生的交变电流的转轴匀速转动时，所产生的交变电流的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律按照正弦函数的规律按照正弦函数的规律按照正弦函数的规律变化，这种交变电变化，这种交变电变化，这种交变电变化，这种交变电流叫流叫流叫流叫正弦式交变电流正弦式交变电流正弦式交变电流正弦式交变电流，简称简称简称简称正弦式电流正弦式电流正弦式电流正弦式电流。从中性面计时从中性面计时从中性面计时从中性面计时 电动势变化规律
11、：思考1：若从与中性面垂直的位置（峰值面）开始计时，瞬时值应该怎样流过负载的电流变化规律：三、交变电流的变化规律思考2：正余弦交流电产生条件应该是什么？匀强磁场转轴必须和磁场垂直匀速转动思考3：E感感的的值与与线圈的圈的形状形状和和转轴的位置的位置没有关系？没有关系？B4 4、正弦式交变电流的峰值正弦式交变电流的峰值正弦式交变电流的峰值正弦式交变电流的峰值(1)转轴在线圈所在平面内且与磁场垂直.当线圈平面与磁场平行时，线圈中的感应电动势达到峰值，且满足EmnBS.(2)决定因素：由线圈匝数n、磁感应强度B、转动角速度和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关.如图所示的几种情况中，如
12、果n、B、S均相同，则感应电动势的峰值均为EmnBS.三、交变电流的变化规律（1）矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律变化正弦式交流电：为线圈转动的角速度为线圈转动的角速度此表达形式仅在从中性面开始计时成立此表达形式仅在从中性面开始计时成立5、交变电流的变化规律图像思考讨论：由图像解释两个特殊位置的磁通量、感应电动势的大小te三、交变电流的变化规律思考讨论：由图像解释线圈完成一个周期转动，几次经过中性面？电流方向改变几次？两次经过中性面，电流方向改变两次。不同形式的不同形式的交流电：交流电：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
13、多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是正弦式电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流。是正弦式电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流。三、交变电流的变化规律四、交变发电机线圈线圈(叫电枢叫电枢)产生感应电动势产生感应电动势磁极磁极 产生磁场产生磁场1、基本组成、基本组成2、基本种类基本种类旋转电枢式旋转电枢式 电枢动，磁极不动电枢动，磁极不动旋转磁极式旋转磁极式 磁极动，电枢不动磁极动，电枢不动 无论哪种发电机，转动的部分叫无论哪种发电机，转动的部分叫转子转子，不动的部分叫，不动的部分叫定子定子。四、交变发电机旋转电枢式的缺点：旋转电枢式的缺点：旋转磁极式的优点：旋转
14、磁极式的优点：电压高会火花放电、电枢无法做大电压高会火花放电、电枢无法做大高电压、高功率输出高电压、高功率输出四、交变发电机三峡大坝水力发电机组风力发电风力发电机组例例1：一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为：一台发电机在产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值为Em=400V，线圈匀速转动的角速度为，线圈匀速转动的角速度为=100rad/s，试写出电动势瞬时值的表达式。，试写出电动势瞬时值的表达式。如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2000，电路中电流的峰，电路中电流的峰值是多少？写出电流瞬时值的表达式。值是多少？写出电流瞬
15、时值的表达式。解：假定发电机从线圏中性面开始计时，线圏中电动势的瞬时表达式为：解：假定发电机从线圏中性面开始计时，线圏中电动势的瞬时表达式为：e=Emsin t数据代入：数据代入：e=400sin100t不计发电机线圈内阻，电流中电流峰值：不计发电机线圈内阻，电流中电流峰值：所以瞬时值：所以瞬时值：i=Imsin t=0.2sin100t.四、知识应用与实践例例2：KLMN是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为是一个竖直的矩形导线框，全部处于磁感应强度为B的水平方向的的水平方向的强磁场中，线框面积为强磁场中，线框面积为S，MN边水平，线框绕某竖直固定轴以角速度边水平，线框绕某竖直固定轴以
16、角速度匀速转匀速转动。在动。在MN边与磁场方向的夹角到达边与磁场方向的夹角到达30的时刻，导线框中产生的瞬时电动势的时刻，导线框中产生的瞬时电动势e的的大小是多少大小是多少?标出线框此时电流的方向。已知线框按俯视的逆时针方向。标出线框此时电流的方向。已知线框按俯视的逆时针方向。解：解：KL边与磁场方向成边与磁场方向成30时，线圈平面与时，线圈平面与中性面夹角为中性面夹角为60。此时感应电动势为：。此时感应电动势为：e=Emsin t=BSsin60代入数据得：代入数据得：四、知识应用与实践例3：在垂直纸面向里的有界匀强磁场中放置了矩形线圈abcd.线圈cd 边沿竖直方向且与磁场的右边界重合.线
17、圈平面与磁场方向垂直.从t0时刻起，线圈以恒定角速度 绕 cd 边沿如图所示方向转动，规定线圈中电流沿abcda方向为正方向，则从t0到tT时间内，线圈中的电流i随时间t变化关系图象为四、知识应用与实践拓展：如图所示，一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO沿顺时针方向转动，引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M 和N 相连.M 和N又通过固定的电刷P 和 Q 与电阻R相连.在线圈转动过程中，通过电阻R的电流 A.大小和方向都随时间做周期性变化B.大小和方向都不随时间做周期性变化C.大小不断变化，方向总是PRQD.大小不断变化，方向总是QRP半圆环交替接触电刷，从而使输出电流半圆环交替接触
18、电刷，从而使输出电流方向不变，这是一个直流发电机模型方向不变，这是一个直流发电机模型四、知识应用与实践课堂小结课堂小结一、交变电流一、交变电流交流电：交流电：大小大小和和方向方向都随时间做周期性变化都随时间做周期性变化直流电：直流电：方向方向不随时间变化不随时间变化 大小大小不变不变变化变化(恒定电流恒定电流)二、交变电流的产生二、交变电流的产生线圈旋转过程中只有线圈旋转过程中只有AB和和CD边在做切割磁感线的运动，产生边在做切割磁感线的运动，产生E感感线圈每转动一周，两次经过中性面，交流电的方向改变两次。线圈每转动一周，两次经过中性面，交流电的方向改变两次。中性面：与磁场垂直的平面中性面：与
19、磁场垂直的平面特点：磁通量最大，特点：磁通量最大，E感感=0，I感感=0。与中性面垂直的平面：与中性面垂直的平面：磁通量为磁通量为0，E感感最大，最大，I感感最大。最大。三、交变电流的变化规律三、交变电流的变化规律e=Emsin t感应电动势：感应电动势：（Em为峰值，为峰值，Em=NBS）路端电压：路端电压：电路中的电流：电路中的电流：u=Umsin ti=Imsin t线圈（叫电枢）线圈（叫电枢）产生感应电动势产生感应电动势磁极磁极 产生磁场产生磁场基本组成基本组成基本种类基本种类旋转电枢式旋转电枢式 电枢动，磁极不动电枢动，磁极不动旋转磁极式旋转磁极式 磁极动，电枢不动磁极动，电枢不动四
20、、交流发电机四、交流发电机无论哪种发电机，转动的部分叫无论哪种发电机，转动的部分叫转子转子，不动的部分叫，不动的部分叫定子定子。课堂小结课堂小结1 1对于如图所示的电流对于如图所示的电流i i随时间随时间t t做周期性变化的图像，下列描述正确的是（）做周期性变化的图像，下列描述正确的是（）A A电流的大小变化，方向不变，不是交变电流电流的大小变化，方向不变，不是交变电流B B电流的大小不变，方向变化，是交变电流电流的大小不变，方向变化，是交变电流C C电流的大小和方向都变化，是交变电流电流的大小和方向都变化，是交变电流D D电流的大小和方向都不变，是直流电电流的大小和方向都不变，是直流电A五、
21、知识应用与实践2 2一矩形线圈一矩形线圈ABCDABCD在匀强磁场中绕其中心轴在匀强磁场中绕其中心轴OOOO匀速转动时，就会在线圈中形成交变匀速转动时，就会在线圈中形成交变电流。下列说法错误的是（）电流。下列说法错误的是（）A A线圈经过甲图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大线圈经过甲图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流也最大B B线圈经过乙图位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最大，电流的方向为图线圈经过乙图位置时，穿过线圈的磁通量为零，产生的电流最大，电流的方向为图 中箭头指向中箭头指向C C线圈经过丙图位置时，穿过线圈的磁通量最大，产生的电流最小线圈经过丙图位置时，
22、穿过线圈的磁通量最大，产生的电流最小D D线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的电流在增线圈从丙图位置转到丁图位置的过程中，穿过线圈的磁通量减小，产生的电流在增 大大A五、知识应用与实践3 3如图是交流发电机的示意图，线圈如图是交流发电机的示意图，线圈abab边连接在金属滑环边连接在金属滑环K K上，上，cdcd边连接在金属滑环边连接在金属滑环L L上，左右两个导体电刷分别压在滑环上，左右两个导体电刷分别压在滑环K K、L L上，线圈转动时可以通过滑环和电刷保持与上，线圈转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。若线圈绕转轴顺时针匀速转动，取从左向右通过电流表外电路
23、的连接。若线圈绕转轴顺时针匀速转动，取从左向右通过电流表G G为电流正方向，为电流正方向，从图示位置开始计时，下列图中能正确表示电流表从图示位置开始计时，下列图中能正确表示电流表G G中电流随时间变化关系的是（）中电流随时间变化关系的是（）A四、知识应用与实践NS4 4图中闭合金属线圈都在匀强磁场中绕虚线所示的固定轴匀速转动，能产生正弦式交图中闭合金属线圈都在匀强磁场中绕虚线所示的固定轴匀速转动，能产生正弦式交变电流的是（）变电流的是（）AD五、知识应用与实践5 5在匀强磁场中，一个在匀强磁场中，一个100100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线
24、垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为22，则（），则（）A At=0t=0时，线圈平面平行于磁感线时，线圈平面平行于磁感线B Bt=1st=1s时，线圈中的电流改变方向时，线圈中的电流改变方向C Ct=1.5st=1.5s时，线圈中的感应电动势最大时，线圈中的感应电动势最大D D线圈转动的角速度为线圈转动的角速度为rad/srad/sAD五、知识应用与实践6 6矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生交流电，如图所示，下列说法矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生交流电，如图所示，下列说法中正确的是（）
25、中正确的是（）A A当穿过线圈的磁通量最大时，产生的电动势最大当穿过线圈的磁通量最大时，产生的电动势最大B B当穿过线圈的磁通量为零时，产生的电动势最大当穿过线圈的磁通量为零时，产生的电动势最大C C在图示位置时，在图示位置时，A A边产生的感应电流方向垂直纸面向里边产生的感应电流方向垂直纸面向里D D在图示位置时，在图示位置时，A A边产生的感应电流方向垂直纸面向外边产生的感应电流方向垂直纸面向外BC五、知识应用与实践7 7线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时产生交流电，则下列说法中线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时产生交流电，则下列说法中正确的是（正确的是（）A A当
26、线圈位于中性面时，线圈中感应电动势为零当线圈位于中性面时，线圈中感应电动势为零B B当穿过线圈的磁通量为零时，线圈中感应电动势最大当穿过线圈的磁通量为零时，线圈中感应电动势最大C C线圈在磁场中每转一周，产生的感应电动势和感应电流的方向改变一次线圈在磁场中每转一周，产生的感应电动势和感应电流的方向改变一次D D每当线圈越过中性面时，感应电动势和感应电流的方向就改变一次每当线圈越过中性面时，感应电动势和感应电流的方向就改变一次ABD五、知识应用与实践8 8如图所示，闭合的矩形导体线圈如图所示，闭合的矩形导体线圈abcdabcd在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OOOO匀
27、速转匀速转动，沿着动，沿着OOOO方向观察，线圈沿逆时针方向转动已知匀强磁场的磁感应强度为方向观察，线圈沿逆时针方向转动已知匀强磁场的磁感应强度为B B，线，线圈匝数为圈匝数为n n，abab边的边长为边的边长为l l1 1，adad边的边长为边的边长为l l2 2，线圈电阻为，线圈电阻为R R，转动的角速度为，转动的角速度为，则，则当线圈转至图示位置时当线圈转至图示位置时()A A线圈中感应电流的方向为线圈中感应电流的方向为abcdaabcdaB B线圈中的感应电动势为线圈中的感应电动势为2nBl22nBl2C C穿过线圈的磁通量随时间的变化率最大穿过线圈的磁通量随时间的变化率最大D D线圈线圈adad边所受安培力的大小为边所受安培力的大小为CD五、知识应用与实践