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標題: 交流與直流 [打印本頁(yè)]
作者: ljjailanqiu    時(shí)間: 2010-7-25 10:17
標題: 交流與直流
直流電（direct current）

　　大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流。又稱(chēng)恒定電流。所通過(guò)的電路稱(chēng)直流電路，是由直流電源和電阻構成的閉合導電回路。在該電路中，形成恒定的電場(chǎng)，在電源外，正電荷經(jīng)電阻從高電勢處流向低電勢處，在電源內，靠電源的非靜電力的作用，克服靜電力，再從低電勢處到達高電勢處，如此循環(huán)，構成閉合的電流線(xiàn)。所以，在直流電路中，電源的作用是提供不隨時(shí)間變化的恒定電動(dòng)勢，為在電阻上消耗的焦耳熱補充能量。

　　在比較簡(jiǎn)單的直流電路中，電源電動(dòng)勢、電阻、電流以及任意兩點(diǎn)電壓之間的關(guān)系可根據歐姆定律及電動(dòng)勢的定義得出。復雜的直流網(wǎng)絡(luò )可根據G.R.基爾霍夫方程組求解。它包括節點(diǎn)電流方程和回路電壓方程兩部分，前者指出，對于任一節點(diǎn)（3個(gè)或3個(gè)以上支路的交點(diǎn)），流入和流出節點(diǎn)的各電流的代數和為零，這是恒定條件的要求，后者指出，對于任一閉合回路（網(wǎng)格），各部分電壓降的代數和為零，這是靜電場(chǎng)環(huán)路定理的結果，兩者構成了完備的方程組。

　　測量直流電路中電流、電壓、電阻、電源電動(dòng)勢等物理量的儀表稱(chēng)為直流儀表。常用的有電流計，安培計，伏特計，電橋，電勢差計等。

　　直流電源有化學(xué)電池，燃料電池，溫差電池，太陽(yáng)能電池，直流發(fā)電機等。直流電主要應用于各種電子儀器，電解，電鍍，直流電力拖動(dòng)等方面。

在電力傳輸上，19世紀80年代以后，由于不便于將直流電低電壓升至高電壓進(jìn)行遠距離傳輸，直流輸電曾讓位于交流輸電。20世紀60年代以來(lái)，由于采用高電壓、大功率變流器將直流電變?yōu)榻涣麟�，直流輸電系統又重新受到重視并獲得新的發(fā)展。

交流電

簡(jiǎn)稱(chēng)“交流”。一般指大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦電流。我國交流電供電的標準頻率規定為50赫茲。交流電隨時(shí)間變化的形式可以是多種多樣的。不同變化形式的交流電其應用范圍和產(chǎn)生的效果也是不同的。以正弦交流電應用最為廣泛，且其他非正弦交流電一般都可以經(jīng)過(guò)數學(xué)處理后，化成為正弦交流電的迭加。正弦電流（又稱(chēng)簡(jiǎn)諧電流），是時(shí)間的簡(jiǎn)諧函數

i=Imsin（ωt+φ0）

當線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中勻速轉動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈里就產(chǎn)生大小和方向作周期性改變的交流電。

現在使用的交流電，一般是方向和強度每秒改變52赫茲。

我們常見(jiàn)的電燈、電動(dòng)機等用的電都是交流電。在實(shí)用中，交流電用符號"~"表示。

電流i隨時(shí)間的變化規律，由此看出：正弦交流電需用頻率、峰值和位相三個(gè)物理量來(lái)描述。交流電所要討論的基本問(wèn)題是電路中的電流、電壓關(guān)系以及功率（或能量）的分配問(wèn)題。由于交流電具有隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，因此產(chǎn)生了一系列區別于直流電路的特性。在交流電路中使用的元件不僅有電阻，而且有電容元件和電感元件，使用的元件多了，現象和規律就復雜了。


【交流電的頻率和周期】頻率是表示交流電隨時(shí)間變化快慢的物理量。即交流電每秒鐘變化的次數叫頻率，用符號f表示。它的單位為周／秒，也稱(chēng)赫茲常用“Hz”表示，簡(jiǎn)稱(chēng)周或赫。例如市電是50周的交流電，其頻率即為f=50周／秒。對較高的頻率還可用千周（kC）和兆周（MC）作為頻率的單位。
1千周（kC）=103周／秒
1兆周（MC）=10千周（kC）=106周／秒
例如，我國第一顆人造地球衛星發(fā)出的訊號頻率是20.009兆周，亦即它發(fā)出的是每秒鐘變化20.009×106次的交變訊號。交流電正弦電流的表示式中I = Imsin（ωt+φ0）中的ω稱(chēng)為角頻率，它也是反映交流電隨時(shí)間變化的快慢的物理量。角頻率和頻率的關(guān)系為
ω=2πf。
交流電隨時(shí)間變化的快慢還可以用周期這個(gè)物理量來(lái)描述。交流電變化一次所需要的時(shí)間叫周期，用符號T表示。周期的單位是秒。顯然，周期和頻率互為例數，即


由此可見(jiàn)，交流電隨時(shí)間變化越快，其頻率f越高，周期 T越短；反之，頻率f越低，周期T越長(cháng)。
【交流電流的峰值】 簡(jiǎn)諧函數（又稱(chēng)簡(jiǎn)諧量）是時(shí)間的周期函數。其簡(jiǎn)諧電流
i=Imsin（εt＋α）
中的Im叫做電流的峰值，i為瞬時(shí)值。應該指出，峰值和位相是按上式中Im為正值的要求定義的。如對下面形式的函數
i=-5sin（ωt+α）
不應認為峰值為-5、初相為+α，而應把函數先寫(xiě)成
i=5sin（ωt+α+π）
從而看出其峰值為5，初位相為α＋π。
【交流電流的有效值】在交流電變化的一個(gè)周期內，交流電流在電阻R上產(chǎn)生的熱量相當于多大數值的直流電流在該電阻上所產(chǎn)生的熱量，此直流電流的數值就是該交流電流的有效值。例如在同樣兩個(gè)電阻內，分別通以交流電i（t）和直流電I，通電時(shí)間相同，如果它們產(chǎn)生的總熱量相等，則說(shuō)這兩個(gè)電流是等效的。交流電的有效值通常用U或（I）來(lái)表示。U表示等效電壓，I表示等效電流。設一電阻R，通以交流電i，在很短的一段時(shí)間dt內，流經(jīng)電阻R的交流電可認為是恒定的，因此在這很短的時(shí)間內在R上產(chǎn)生的熱量
dW=i2Rdt
在一個(gè)周期內交流電在電阻上產(chǎn)生的總熱量

而直流電I在同一時(shí)間T內在該電阻上產(chǎn)生的熱量
W=I2RT
根據有效值的定義有

所以有效值

根據上式，有時(shí)也把有效值稱(chēng)為“平均根值”。對正弦交流電，有i=Imsinωt，故

而其中

可見(jiàn)正弦交流電的有效值等于峰值的0.707倍。通常，交流電表都是按有效值來(lái)刻度的。一般不作特別說(shuō)明時(shí)，交流電的大小均是指有效值。例如市電220伏特，就是指其有效值為220伏特，

【交流電的平均值】交流電在半周期內，通過(guò)電路中導體橫截面的電量Q和其一直流電在同樣時(shí)間內通過(guò)該電路中導體橫截面的電量相等時(shí)，這個(gè)直流電的數值就稱(chēng)為該交流電在半周期內的平均值。

對正弦交流電流，即i=Imsinωt，則平均值與峰值的關(guān)系為

故，正弦交流電的平均值等于峰值的0.637倍。對正弦交流電來(lái)說(shuō)在上半周期內，一定量的電量以某一方向流經(jīng)導體的橫截面，在下半周期內，同樣的電量卻以相反的方向流經(jīng)導體的橫截面。因而在一個(gè)周期內，流經(jīng)導體橫截面的總電量等于零，所以在一個(gè)周期內正弦交流電的電流平均值等于零。如果直接用磁電式電表來(lái)測量交流電流，將發(fā)現電表指針并不發(fā)生偏轉。這是因為交流電流一會(huì )兒正，一會(huì )兒為負，磁電式電表的指針無(wú)法適應。如果附有整流器的磁電式電表（例如萬(wàn)用電表中的交流檔）接入交流電路中如圖3－46所示。那么在一周期內，只有正半周的電流通過(guò)電表，如圖3－47中的實(shí)線(xiàn)所示，負半周期電流則過(guò)二極管D2而不通過(guò)表，圖3－47中的虛線(xiàn)所示。在一周期內通過(guò)電表的電流平均值為


即半波整流后交流電的平均值和最大值的關(guān)系為

而交流電的有效值和最大值的關(guān)系為

所以

即正弦交流電經(jīng)半波整流后的平均值只有有效值的0.45倍。
【位相】在交流電中i＝Imsin（ωt+α）中的（ωt+α）叫做位相（位相角）。它表征函數在變化過(guò)程中某一時(shí)刻達到的狀態(tài)。例如，在 階段，當ωt+α=0時(shí)達到取零值的階段，等等。α是t=0時(shí)的位相，叫初相。在實(shí)際問(wèn)題中，更重要的是兩個(gè)交流電之間的位相差。圖3－18畫(huà)出了電壓ul和u2的三種不同的位相差。圖3－48a中可看到兩個(gè)電壓隨時(shí)間而變化的步調是一致的，同時(shí)到達各自的峰值，又同時(shí)下降為零。故稱(chēng)這兩個(gè)電壓為同位相，也就是說(shuō)它們之間的位相差為零。3－48b中兩個(gè)電壓隨時(shí)間變化的步調是相反的，u1為正半周時(shí)，u2為負半周，u1達到正最大值時(shí)，u2達到負的最大值，則這兩個(gè)電壓的位相相反，或者說(shuō)它們之間的位相差為π。圖3－48c中兩個(gè)電壓的變化步調既不一致也不相反，而是有一個(gè)先后，它們之間的位相差介于0與π之間。從圖3－48c中可以看出u1和u2之間的位相差是π／2�？傊�，兩個(gè)交流電壓或電流之間的位相差是它們之間變化步調的反映。

【交流電路中的電阻】純電阻電路是最簡(jiǎn)單的一種交流電路。白熾燈、電爐、電烙鐵等的電路都可以看成是純電阻電路。雖然純電阻的電壓和電流都隨時(shí)間而變，但對同一時(shí)刻，歐姆定律仍然成立，即的波形如圖3－49b所示。對純電阻電路有：（1）通過(guò)電阻R的電流和電壓的頻率相同；（2）通過(guò)電阻R的電流峰值和電壓峰值的關(guān)系是
的電流和電壓同位相。圖3－49a為純電阻電路示意圖。


【交流電路中的電感】如圖3－50所示，一個(gè)忽略了電阻的空心線(xiàn)圈和交流電流源組成的電路稱(chēng)為“純電感電路”。在純電感電路中，電感線(xiàn)圈兩端的電壓u和自感電動(dòng)勢eL間（當約定它們的正方向相同時(shí)）有
u=-eL
因自感電動(dòng)勢

故有

如果電路中的電流為正弦交流電流i=Imsinωt，則

其中Um=ImωL為電感兩端電壓的峰值。純電感電路中的電壓和電流波形如圖3－51所示。由此可見(jiàn)，對于純電感電路：（1）通過(guò)電感L的電流和電壓的頻率相同；（2）通過(guò)電感L的電流峰值和電壓峰值的關(guān)系是
Um=ImωL
其有效值之間的關(guān)系為
U=IωL
由上式可知，純電感電路的電壓大小和電流大小之比為

ωL稱(chēng)為電感元件的阻抗，或稱(chēng)感抗，通常用符號XL表示，即
XL=ωL=2πfL。
式中，頻率f的單位為赫茲，電感L的單位為亨利，感抗XL的單位為歐姆。這說(shuō)明，同一電感元件（L一定），對于不同頻率的交流電所呈現的感抗是不同的，這是電感元件和電阻元件不同的地方。電感元件的感抗隨交流電的頻率成正比地增大。電感元件對高頻交流電的感抗大，限流作用大，而對直流電流，因其f=0，故XL=0，相當短路，所以電感元件在交流電路中的基本作用之一就是“阻交流通直流”或“阻高頻通低頻”。各種扼流圈就是這方面應用實(shí)例；（3）在純電感電路中，電感兩端的電壓位相超前其電流位

的變化成正比，而不是和電流的大小成正比。對于正弦交流電，當電流i
當電流為零時(shí)，其變化率為最大，電壓也最大。所以?xún)烧叩南?




【交流電路中的電容】當把正弦電壓u=Umsinωt加到電容器時(shí)，如圖3－52所示，由于電壓隨時(shí)間變化，電容器極板上的電量也隨著(zhù)變化。這樣在電容器電路中就有電荷移動(dòng)。如果在dt時(shí)間內，電容器極板上的電荷變化dq，電路中就要有db的電荷移動(dòng)，因此電路中的電流

對電容器來(lái)說(shuō)，其極板上的電量和電壓的關(guān)系是
q=CU
因此有


其中Im=UmωC為電路中電流的峰值。純電容電路中的電壓和電流波形如圖3－53所示。由此可見(jiàn)，對于純電容電路：（1）通過(guò)電容C的電流和電壓的頻率相同；（2）通過(guò)電容C的電流峰值和電壓峰值的關(guān)系是
Im=UmωC
其有效值之間的關(guān)系為
I=UωC
由上式可知，純電容電路中的電壓大小與電流大小之比為

表示，即

式中頻率f的單位為赫茲，電容C的單位是法拉，容抗Xc的單位為歐姆�？梢�(jiàn)，同一電容元件（C一定），對于不同頻率的交流電所呈現的容抗是不同的。由于電容器的容抗與交流電的頻率成反比，因此頻率越高，容抗就越小，頻率越低，容抗就越大。對直流電來(lái)講f=0，容抗為無(wú)限大，故相當于斷路。所以電容元件在交流電路中的基本作用之一就是“隔直流，通交流”或“阻低頻，通高頻”；（3）
率成正比，而不是和電壓的大小成正比。對于正弦交流電，當電壓為零





【交流電路中的歐姆定律】在交流電路中，電壓、電流的峰值或有效值之間的關(guān)系和直流電路中的歐姆定律相似，其等式為U=IZ或

該式就是交流電路中的歐姆定律。應該注意的是（即與直流電路歐姆定律不同的地方）：由于電壓和電流隨元件不同而具有位相差，所以電流和電壓的有效值之間一般不是簡(jiǎn)單的數量的比例關(guān)系。下面分兩種基本電路來(lái)分析：（1）在串聯(lián)電路中，如圖3－54所示，R、L、C上的總電壓不等于各段分電壓的和，即
U≠UR＋UL+Uc。



壓，決不是各個(gè)元件上電壓的代數和而是矢量和。在電阻R上

在電感L上，ZL=ωL



圖3－55所示；（2）在并聯(lián)電路中，如圖3－56所示，在R、L、C上每個(gè)元件兩端的瞬時(shí)電壓都相等為U。每分路之間的電流和兩端電壓之間的關(guān)系為

不同元件上電流的相位也各有差異。純電感上電流相位落后于純電阻電流

所以分電流的矢量和即總電流



【交流電功率】 在交流電中電流、電壓都隨時(shí)間而變化，因此電流和電壓的乘積所表示的功率也將隨時(shí)間而變化。交流電功率可分為：瞬時(shí)功率、有功功率、視在功率（又叫做總功率）以及無(wú)功功率。（1）瞬時(shí)功率（Pt）。由瞬時(shí)電流和電壓的乘積所表示的功率。Pt=i(t)•u(t)，它隨時(shí)間而變。對任意電路， i與u之間存在著(zhù)相位差i（t）=Imsinωt，u（t）=Umsin（ωt＋φ）。即

在純電阻電路中，電流和電壓之間無(wú)相位差，即φ=0，瞬時(shí)功率Pt=IU

位時(shí)間內所用的能量，或在一個(gè)周期內所用能量和時(shí)間的比。在純電阻電路中，

純電阻電路中有功功率和直流電路中的功率計算方法表示完全一致，電壓和電流都用有效值計算。


以上說(shuō)明電感電路和電容電路中能量只能在電路中互換，即電容與電源、電感與電源之間交換能量，對外無(wú)能量交換，所以它們的有功功率為零。對一般電路的平均功率為

（3）視在功率（S）。在交流電路中，電流和電壓有效值的乘積叫做視在功率，即S=IU。它可用來(lái)表示用電器本身所容許的最大功率（即容量）。（4）無(wú)功功率（Q）。在交流電路中，電流、電壓的有效值與它們的相位差φ的正弦的乘積叫做無(wú)功功率，即Q = IUsinφ。它和電路中實(shí)際消耗的功率無(wú)關(guān)，而只表示電容元件、電感元件和電源之間能量交換的規模。有功功率，無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系，可由圖3－57所示的“功率三角形”來(lái)表示。


【功率因數】它是發(fā)電機輸送給負載的有功功率和視在功率的比，即

可見(jiàn)功率因數cosφ是反應電能利用率大小的物理量。提高用電設備的功率因數就可以提高發(fā)電機總功率中的有功功率。
【變壓器】 兩個(gè)（或多個(gè)）有互感耦合的靜止線(xiàn)圈的組合叫做變壓器。變壓器的通常用法是一個(gè)線(xiàn)圈接交變電源而另一線(xiàn)圈接負載，通過(guò)交變磁場(chǎng)把電源輸出的能量傳送到負載中。接電源的線(xiàn)圈叫做原線(xiàn)圈，接負載的線(xiàn)圈叫做副線(xiàn)圈。原、副線(xiàn)圈所在的電路分別叫做原電路（原邊）及副電路（副邊）。原、副線(xiàn)圈的電壓（有效值）一般不等，變壓器即由此得名。變壓器可分為鐵心變壓器及空心變壓器兩大類(lèi)。鐵心變壓器是將原、副線(xiàn)圈繞在一個(gè)鐵心（軟磁材料）上，利用鐵心的高μ值加強互感耦合， 廣泛用于電力輸配、電工測量、電焊及電子電路中�？招淖儔浩鳑](méi)有鐵心，線(xiàn)圈之間通過(guò)空氣耦合，可以避免鐵心的非線(xiàn)性、磁滯及渦流的不利影響，廣泛用于高頻電子電路中。圖3－58是變壓器原理圖。設變壓器的原、副線(xiàn)圈中的電流所產(chǎn)生的磁感應線(xiàn)全部集中在鐵心內（即忽略漏磁），因此鐵心中各個(gè)橫截面上的磁感應通量φ都一樣大小。由于φ的變化，將使繞制在鐵心上的每一匝線(xiàn)圈中都產(chǎn)生同樣
作者: zhangxunhai    時(shí)間: 2010-8-1 20:48
方向不隨時(shí)間變化的就是直流
作者: jonah0    時(shí)間: 2010-8-2 11:52
拜托，是大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流
作者: 白狼000    時(shí)間: 2010-8-2 17:51
頂一下~~~~�。。�！
作者: 演繹、落幕    時(shí)間: 2010-8-2 20:52
LZ雖然資料不錯，但是你應該概括下比較好，抄襲個(gè)人覺(jué)得有點(diǎn)那個(gè)啥的！不過(guò)還是謝謝LZ分享
作者: b541182855    時(shí)間: 2010-8-9 23:31
看著(zhù)有點(diǎn)眼花
作者: hpaiwa    時(shí)間: 2010-8-10 23:53
沒(méi)學(xué)過(guò)系統的電路知識。。。有點(diǎn)看不懂。。
作者: zsh117205    時(shí)間: 2010-8-21 17:32
頂一下  、、、、
作者: winward    時(shí)間: 2010-8-21 17:49
感覺(jué)沒(méi)什么用....
作者: snrtihtymqjh    時(shí)間: 2010-8-21 22:45
分享，學(xué)習的好菜園
作者: 新服務(wù)器    時(shí)間: 2010-8-30 18:03
頂一下~~~~�。。�！
作者: lch0371    時(shí)間: 2010-8-31 12:53
LZ真有心啊，弄得這么詳細
作者: qq379063301    時(shí)間: 2010-9-6 15:59
不錯， 講得太詳細了， 樓主辛苦了
作者: renwoxing000    時(shí)間: 2010-9-9 20:52
不錯，收藏了
作者: zhouxuejie    時(shí)間: 2010-10-15 23:09
穩恒直流，脈動(dòng)直流是有區別的，大小和方向都不變的是穩恒直流



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