第五章 交变电流.doc
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1、第五章 交变电流5.1 交变电流一 交变电流1. 定义: 交流(AC):大小和方向都做周期性变化。 正弦,锯齿波,方形直流(DC):方向不随时间变化。2. 产生: 在匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的轴匀速转动的线圈里产生交变电流。3. 过程分析: 右手定则(1)感应电流方向:甲乙:badc.乙丙:badc丙丁:abcd丁甲:abcd(2)中性面:线圈平面垂直于磁感线时,磁通量最大,感应电流为0.特点:线圈经过中性面时,感应电流方向改变一次,线圈绕轴转一周,经中性面两次,感应电流就改变两次。(3)中性面和其垂直面特性比较。中性面中性面的垂直面位置线圈平面与磁场垂直线圈平面与磁场平行磁通量最大0磁通
2、量的变化率0最大感应电动势0最大线圈边缘速度与磁场方向夹角090感应电流0最大电流方向改变不变二 交变电流的变化规律1. t时刻的电动势e 问题: 设初始时刻线圈位于中性面,旋转角速度为,磁感应强度为B,线圈面积为S,匝数为n,求t时刻的电动势e=?解答:设, AD、BC切割磁感线 t时刻,线圈转过角度。BC中感应电动势 因此 电动势峰值 (图示三种也适用)提示:若从中性面的垂直面开始旋转,则2. t时刻的电流 称为正弦交变电流。负载R两端的电压3. 正弦交变电动势、交变电流的图像图像应用: (1)可读出交变电流峰值。(2)确定中性面、中性面垂直的时刻。中性面时,感应电流为0,也即磁通量最大,
3、磁通量的变化率为0;中性面垂直时反之。(3)可读出交变电流的周期T,进而计算出频率f,角频率。4. 几种常见的交变电流三例题分析例1:(08江苏)如图所示为演示交变电流产生的装置图,正确的说法是:( )A线圈每转动一周,指针左右摆动两次。B. 图示位置为中性面,线圈中无感应电流。C. 图示位置ab边的感应电流方向为ab。D. 线圈平面与磁场平行时,磁通量变化率为0。练习1:线圈在匀强磁场中匀速转动,产生交变电流,下列说法中正确的是:( )A线圈每转动一周,电流方向就改变一次。B. 线圈平面经过中性面时,线圈内磁通量为0。C. 线圈中的磁通量最大时,线圈中的磁通量变化也最大。D. 线圈中的磁通量
4、在增加时,感应电动势却在减小。练习2. 下列图像属于交流电的是:( )例2. 在匀强磁场中的矩形线圈从中性面开始匀速转动,穿过线圈平面的磁通量与时间t的关系图像可能是图中的( )练习3:一矩形线圈,绕垂直于匀强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的变化如图所示,下列说法中正确的是( )A时刻通过线圈的磁通量为0.B. 时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大。C. 时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大。D. 每当e变换方向时,通过线圈的磁通量的绝对值都为最大。练习4单匝矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,转动轴垂直于磁场。若线圈所围面积里磁通量随时间的变化规律如图所示,则( )A.
5、 线圈中0A时间内,感应电动势逐渐增大;B. 线圈中AB时间内,感应电动势逐渐减小;C. 线圈中D时刻感应电动势最小;D. 线圈中00.01s 时间内平均感应电动势为0.8V 例3.处在匀强磁场中的矩形线圈abcd.以恒定的角速度绕ab边转动,磁场方向平行于纸面并与ab垂直.在t=0时刻,线圈平面与纸面重合(如图所示),线圈的cd边离开纸面向外运动。若规定由a-b-c-d-a方向的感应电流为正,则能反映线圈中感应电流I随时间t变化的图线是( ).例4. (08北京)如图所示,有一闭合的正方形线圈,匝数N=100匝,边长为10cm,线圈总电阻为10,线圈绕轴在B=0.5 T的匀强磁场中匀速转动,
6、每分钟转1500转,求线圈平面从图示位置转过30时,感应电动势的值为多少?例5:如图所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.1 T,所用矩形线圈匝数n=100,边长,以角速度绕轴匀速转动,当线圈平面通过中性面时开始计时,求:(1)线圈中的感应电动势大小;(2)由至过程中的平均感应电动势。【例题答案】例1. C 练习1:D 练习2.AC 例2. CD 练习3:D 练习4:BC 例3. C 例4: 从图示位置开始计时,转过30 例5:(1) (2)5.2 描述交变电流的物理量一周期和频率1.周期T: 交变电流完成一次周期性的变化所用的时间。 单位:s一个周期内,交变电流方向变化两次。2. 频率f:1s时
7、间内完成周期性变化的次数。 单位:Hz3. T,f,的关系: , 4. 我国交流电的周期和频率 工农业生产生活用电:周期:T =0.02s,频率f =50Hz二交变电流的瞬时值、峰值、有效值、平均值1. 交变电流的瞬时值,2. 交变电流最大值峰值矩形线圈匀强磁场中绕垂直于磁场的轴旋转到与磁感线平行时,感应电动势最大 此时电流 路端电压电容器的耐压值要大于电压的峰值,否则就被击穿。3. 交变电流的有效值(1)定义:根据热效应规定: 让交变电流和直流分别通过相同阻值的电阻,如果相等时间产生的热量相等,则把这一直流电的数值叫做该交流电的有效值。(2)正弦交变电流有效值, , (3)计算非正弦交变电流
8、有效值的方法根据定义:假设交变电流通过电阻R,计算一个周期内产生的热量(可分段计算)Q,再用或求出电流或电压的有效值。(4)注意有效值的应用:计算交流电通过导体产生的热量、电功率、确定保险丝的熔断电流时,用有效值。 在交流电路中,电压表、电流表等仪表的示数均为有效值。电气设备标注的额定电压、额定电流值为有效值。我国民用交流电:照明电压220V、动力电压380V都指有效值。4. 交变电流的平均值 不同于有效值电动势平均值,再计算交变电流的平均值。平均值与交变电流的方向及所取时间长短有关。例:正弦交变电流从中性面算起,0时间内,0时间内,.在计算通过导体某一横截面的电荷量时,只能用交变电流的平均值
9、。5. 正弦交流电的瞬时值、最大值、有效值、平均值的对比。物理含义重要关系(正弦电流)适用情况瞬时值交变电流某一时刻的值计算某一时刻的电流、电压值峰值瞬时值的最大值确定用电器的耐压值有效值跟交变电流热效应等效的恒定电流值(一个周期内通过相同电阻R的热量相等)(1)计算与电流热效应相关的量(如功率、热量)(2)交流电表的测量值(3)电气设备标注的额定电压、额定电流值(4)保险丝的熔断电流平均值平均磁通量变化率计算通过电路横截面的电荷量特别提示:1. 只有正弦交变电流的最大值和有效值满足倍,其他交变电流无这种关系2. 线圈从中性面开始转动,则i-t图象为正弦函数图象,函数式为eEmsint.线圈从
10、垂直中性面开始转动,则i-t图象为余弦函数图象,函数式为eEmcost.3. 若图象部分是正弦交变电流,其中的T和T部分的有效值可直接应用I,U三 例题分析例1(08山东高考)图中甲、乙分别表示两种电压的波形,其中图甲所示电压按正弦规律变化,下列说法中正确的是:( )A. 图甲表示交流电,图乙表示直流电B.两种电压的有效值相等C.图甲所示电压的瞬时值表达式为 V D.两种电压的周期相同练习1:关于交流电,下列说法正确的是 ( )A. 任何形式的交流电电压的有效值都是的关系B. 交流电的变化周期一定是0.02 sC. 照明电压220 V,动力电压380 V指的都是有效值D. 交流电压表和电流表侧
11、最的是交流电的最大值例2. 如图表示一交变电流的电流随时间变化的图象。 交流电的有效值是( )A. A B. 5 A C. A D. A练习2:如图所示是某种型号的电热毯的电路图,电热毯接在交变电源上,通过装置P使加在电热丝上的电压的波形如图所示。此时接在电热丝两端的交流电压表的读数为( )A. 110V B. 156V C. 220V D. 311V例3. 如图所示,单匝线圈在匀强磁场中绕轴从图示位置开始匀速转动。已知从图示位置转过时,线圈中电动势大小为10V,求: (1)交变电动势的峰值; (2)线圈从图示位置转过的过程中,电动势的平均值。例4. 在水平方向的匀强磁场中,有一正方形闭合线圈
12、绕垂直磁感线的轴匀速转动,已知线圈的匝数为n=100匝,边长为20cm,电阻为10,转动频率为f=50Hz,磁场的磁感应强度为0.5T,求:(1)外力驱动线圈转动的功率;(2)转至线圈平面与中性面夹角为30时,线圈中产生的感应电动势及感应电流的大小;(3)线圈由中性面转至与中性面成30夹角的过程中,通过线圈横截面的电荷量。练习3. 图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形 线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴匀速转动,线圈的匝数n=100、电阻r=10,线圈的两端经集流环与电阻R连接,电阻R=90,与R并联的交流电压表为理想电表。在t=0时刻,线圈平面与磁场方向平行,穿过每匝线圈的磁
13、通量随时间t按图乙所示正弦规律变化。求:(1)交流发电机产生的电动势的最大值; (2)电路中交流电压表的示数。【例题答案】 例 1. CD 练习1. C 例2. B 练习2. B例3. 解:(1)时,V,得V(2) V例4. 解: (1)能量守恒,外力驱动的功率和线圈交变电流的功率相同。V, 有效值V, 功率w(2)V;A(3), C练习3. 解:(1)V(2)例5.(满分样板16分)一个电阻为r、边长为L的正方形线圈abcd共N匝,线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OO以如图所示的角速度匀速转动,外电路电阻为R. (1)在图中标出此刻线圈感应电流的方向(2)线圈转动过程中感应
14、电动势的最大值有多大?(3)线圈平面与磁感线夹角为60时的感应电动势为多大?(4)设发电机由柴油机带动,其他能量损失不计,线圈转一周,柴油机做多少功?(5)从图示位置开始,线圈转过60的过程中通过R的电量是多少? (6)图中电流表和电压表的示数各是多少?【解析】(1)由右手定则可判定电流的方向沿dcba.(2分)(2)EmNBSNBL2.(2分)(3)线圈平面与B成60角时的瞬时感应电动势 eEmcos60NBL2.(2分)(4)电动势的有效值E(1分) 电流的有效值I,柴油机做的功转化为电能,线圈转一周柴油机做的功WEItt.(2分)(5)因为I平均,(2分) 故电量qI平均t.(2分)(6
15、)电流表显示干路电流的有效值,则读数为 I.(1分)电压表显示路端电压的有效值,则读数为 U.(2分)5.3 电感和电容对交变电流的影响低频扼流圈通直流、阻交流对比灯泡亮度一电感对交变电流的阻碍作用1. 感抗:电感中通入直流,电感相当于导线,对电路没有影响; 电感中通入交变电流,由于自感,电感线圈对交变电流有阻碍作用,称为感抗。感抗越大,阻碍作用越大。2. 影响感抗的因素:线圈自感系数L越大,交变电流频率f越高,感抗越大。3. 电感的应用: 低频扼流圈通直流、阻交流。 要求L较大,即匝数较多高频扼流圈通直流、通低频、阻高频。 要求L较小,即匝数较少二 电容器对交变电流的阻碍作用交流电能“通过”
16、电容器1. 容抗:表示电容对交变电流阻碍作用大小的物理量。容抗越大,阻碍作用越大。2. 影响容抗的因素:电容C越大,交变电流频率f越高,容抗越小。3. 电容器的应用:(1)隔直电容器: “通交流、隔直流”,要求电容器电容较大。(2)高频旁路电容器:“通高频、阻低频”,要求电容较小。4. 容抗的实质:电容器极板上电荷形成的电压对原电流的阻碍作用。三 电感和电容的组合应用1. 滤掉输入信号中的高频成分,使直流和低频加在负载上2. 滤掉输入信号中的直流和低频成分,使高频加在负载上四电阻、感抗、容抗的比较电阻R感抗容抗产生原因定向移动的电荷与不动的离子间的碰撞电感线圈自感阻碍电流的变化电容器极板上电荷
17、电压阻碍电流在电路中特点对直流、交流都有阻碍作用通直流、阻交流。交流频率越大、阻碍越大直流完全不能通过;对交流有一定阻碍,频率越高,阻碍越小决定因素材料本身(电阻率、长短、粗细)及温度决定线圈自感系数L和交流的频率f决定(成正比)电容的大小C和交流的频率f决定(成反比)能量转化电能转化为内能电能和磁场能反复转化电能与电容器间电场能反复转化五例题分析例1. 如图所示,电路中完全相同的三只灯泡、分别与电阻R、电感L、电容C串联,然后再并联到220 V,50Hz的交流电路上,三只灯泡亮度恰好相同。若保持交变电压不变,将交变电流的频率增大到60 Hz,则发生的现象是( )A.三灯亮度不变 B.三灯均变
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- 第五章 交变电流 第五 电流
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