1.1 交流电介绍

你能想象没有电的生活吗？如果没有电，我们的生活将无法进步。在本教程中，我们将学习什么是交流电。首先，让我们了解电流是如何以及何时出现的。

电并不是被发明出来的，它以能量的形式存在于自然界中。许多实验都在电学领域展开。本杰明·富兰克林危险的风筝实验证明了闪电就是电。尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生分别发明了交流电和直流电。这些科学家就电流表示法的标准化展开了激烈的争论。最终，交流电在这场争论中胜出并得以应用。

交流电（AC）是由著名科学家尼古拉·特斯拉发明的，他在指出了托马斯·爱迪生直流发电厂的低效性之后发明了交流电。

什么是交流电？

交流电是指电流的方向在每秒内周期性地改变的电流。在交流电源中，电压的极性也会周期性地改变。因此，电流的方向也会周期性地改变。因此得名“交流电”（AC），表示电流是周期性变化的。

交流电在每秒内改变方向的次数可以定义为交流电的频率。例如，50Hz的频率意味着它在一秒内改变方向50次。

在这种电流中，带电粒子在一个方向上从零增加到最大值，然后回到零，接着在相反方向上以相同的值（但为负值）进行另一个周期。交流电在两个方向上处理的值在所有时刻都是相等的。

它既有大小，也有方向，并且会随时间变化。交流电会在正负两个方向上流动，因此它是双向的。通常，交流电的波形用正弦波表示，其数学公式为：

$A(t) = A \sin(2\pi ft)$

其中：

• $A$ 是信号的幅度
• $t$ 是时间
• $f$ 是信号的频率

交流电的产生

产生交流电的设备被称为发电机。交流电可以通过许多方法和许多电路产生。产生交流电的最简单方法是“使用基本单线圈交流发电机”。

工作原理

交流发电机的工作原理基于法拉第的电磁感应定律，将机械能（如旋转）转化为电能。

结构

一个简单的发电机由两个永磁体组成。它们在南北极之间产生一个固定的磁场。在这个磁场中，有一个单矩形线圈，这是发电机的一个重要部分。

该线圈将在磁场中围绕一个固定轴旋转，并切割磁通量。中心轴垂直于由两个极产生的磁场。

交流电的产生过程

一开始，导线与磁场平行，不切割磁通量，即不切割磁力线。因此，线圈中没有感应电压。

当导线逆时针旋转时，导线的两侧将在相反的方向上切割磁力线。

线圈中任何瞬间感应的电动势与导线线圈的旋转角度成正比。

当导线线圈在相反方向上旋转180°穿过磁力线时，导线中的电子将向相反方向流动。

这意味着，对于导线的每一次完整旋转（360°），将产生一个完整的正弦波形。

在磁场中旋转的导线始终与碳刷和滑环相连。

这些用于传输线圈中感应的电流。

线圈中感应的电动势量取决于其速度、强度和长度。

我们知道“频率”是每秒的周期数。

产生的周期数将取决于旋转导线的速度。也就是说，线圈的速度越快，频率就越高。也就是说，$f$ 与 $n$ 成正比，其中 $n$ 是导线的旋转次数。

极性的周期性反转导致产生具有交替极性的电压，从而产生交流电。

交流电波形

交流电可以用波形表示，具有其幅度和周期。有许多波形可以用来表示交流电，如方波或三角波，但最简单的是用正弦波表示。

对于正弦波的每一个完整周期，我们看到一个正半周期和一个负半周期。这些正负半周期表明交流电会周期性地改变方向。我们将在后续章节中讨论正弦波的所有特性。

市电（线路供电）

供应给家庭的一般用途的电能被称为市电。这种供电中的电流是交流电。从变压器输电线（升压或降压）连接到家庭供电线的供电被称为“市电或线路供电”。我们在印度用于家庭用途的市电是220-240伏，频率为50Hz，而在美国（United States）则是120伏，频率为60Hz。电气设备制造商将根据市电设计他们的产品，以便其能在所需的电压和频率范围内工作。

交流电相对于直流电的优势

• 如果考虑产生交流电和直流电的成本，交流电的产生成本比直流电低。
• 使用交流电的机器在设计上更为简单，其维护也比使用直流电的机器更容易。
• 我们可以使用交流电进行长距离传输，但直流电则不行，因为交流电的电压范围更高。
• 交流电可以通过变压器轻松地从低电压转换为高电压，或从高电压转换为低电压。因此，交流电的电压范围非常宽。
• 我们可以使用整流器将交流电无损耗地转换为直流电，并且可以通过电感器或导体在相当大的损耗下限制交流电的幅度。
• 当供电电压较高时，交流电在长距离传输中的损耗比直流电传输要小得多。
• 交流电机产生的输出（更高扭矩）比直流电机更高。

交流电的缺点

• 交流电的峰值很高，因此在没有绝缘的情况下使用非常危险。
• 交流电的传输成本比直流电高。
• 它会向接触它的人员提供高电压的排斥性电击，可能导致触电。
• 有干扰通信信号的可能性。

交流电的应用

• 我们在日常生活中使用的所有电器都仅使用交流电供电。例如：电视、冰箱、灯泡、电扇、空调等。
• 在需要传输高功率信号的设备中使用交流电。我们在高功率分配系统中使用交流电，如天线波传播、无线电波和超声波传播。
• 我们还在变压器中使用交流电进行长距离传输，以供应许多其他用途。
• 我们主要在电力需求高的工业中使用这种类型的电流。