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求真百科

交流电( alternating current ),简称为AC。交流电也称“交变电流”,简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压电流。它的最基本的形式是正弦电流。但实际上还有应用其他的波形,例如三角形波、正方形波。生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。[1]

交流电

当发现了电磁感应后,产生交流电流的方法则被发现。早期的成品由尼古拉·特斯拉迈克尔·法拉第波利特·皮克西等人开发出来。其中,波利特·皮克西在1832年基于迈克尔·法拉第的原理制造了第一台交流电机

目录

基本信息

中文名:交流电

外文名:Alternating Current

产生原理 :电磁感应原理

工频 : 50Hz

大小表示: 有效值

发展历史

当发现了电磁感应后,产生交流电流的方法就被知晓。早期的成品由英国麦可·法拉第(Michael Faraday)与法国波利特·皮克西(Hippolyte Pixii)等人开发出来。

1882年,英国电工詹姆斯·戈登建造了大型双相交流发电机。开尔文勋爵与塞巴斯蒂安·费兰蒂(Sebastian Ziani de Ferranti)开发早期交流发电机,频率介于100赫兹至300赫兹之间。

1891年,尼古拉·特斯拉取得了交流发电机的专利。[2]

1891年后,多相交流发电机被用来供应电流,此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16赫兹至100赫兹间,搭配弧光灯白炽灯电动机使用。

根据电磁感应定律,当导体周围的磁场发生变化,感应电流在导体中产生。通常情况下,旋转磁体称为转子,导体绕在铁芯上的线圈内的固定组,称为定子,当其跨越磁场时,便产生电流。产生交流电的基本机械称为交流发电机。

产生原理

交流电是根据电磁感应原理产生的,当闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时,线圈里就产生大小和方向作周期性改变的正弦交流电。

交流电(alternating[ˈɔltərˌneɪt] current[ˈkɚrənt, ˈkʌr-]),简称为AC。交流电也称“交变电流”,简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。

将一个可以绕固定转动轴转动的单匝线圈abcd放置在匀强磁场中,为了避免在线圈转动过程中,两根引出的导线扭绞在一起,把线圈两根引线分别接到与线圈一起转动的两个铜环上,铜环通过电刷与外电路连接。当线圈abcd在外力作用下,在匀强磁场中以角速度匀速转动时,线圈的ab边和cd边作切割磁感线运动,线圈中产生感应电动势。如果外电路是闭合的,闭合回路中将产生感应电流。ad和bc边的运动不切割磁感线,则不产生感应电流。

发电机产生的电动势按正弦规律变化,可以向外电路输送正弦交流电。应当指出,实际的发电机构造比较复杂,线圈匝数很多,而且嵌在硅钢片制成的铁心上,叫做电枢;磁极是由电磁铁构成的。一般多采用旋转磁极式,即电枢不动,磁极转动。[3]

正弦交流电的表示方法

大小与方向均随时间按正弦规律做周期性变化的电流电压电动势叫做正弦交流电流、电压、电动势,在某一时刻t的瞬时值可用三角函数式(解析式)来表示

i(t)=Imsin(ωt+ji0)

u(t)=Umsin(ωt+ju0)

e(t)=Emsin(ωt+je0)

式中,Im、Um、Em分别叫做交流电流、电压、电动势的振幅(也叫做峰值或最大值),电流的单位为安培(A),电压和电动势的单位为伏特(V);ω叫做交流电的角频率,单位为弧度/秒(rad/s),它表征正弦交流电流每秒内变化的电角度;ji0、ju0、je0分别叫做电流、电压、电动势的初相位或初相,单位为弧度rad或度(0)

正弦交流电的三要素: 最大值、 角频率、 初相位(初相)

主要参数

1、瞬时值:交流电在某一个瞬间的数值称为瞬时值。

瞬时值一般用小写英文字母e、u、i表示,可以用e= Vm*sinwt来求得。Vm是由线圈的形状或磁铁的强弱来决定的。

2、最大值:瞬时值最大的时候叫做最大值。

最大值一般用大写英文字母加右下标 Em、Um、Im来表示。

3、有效值:交流电的有效值是通过热效应来定义的。 在交流电变化的一个周期内,交流电流在电阻R上产生的热量相当于多大数值的直流电流在该电阻上所产生的热量,此直流电流的数值就是该交流电流的有效值。[4]

有效值一般用大写英文字母E、 U、 I表示。通常,交流电表都是按有效值来刻度的。一般不作特别说明时,交流电的大小均是指有效值。例如市电220伏特,就是指其有效值为220伏特。

4、平均值:用交流电的半个周期来计算。

5、周期(Cycle):正弦交流电循环变化一周所需要的时间叫做周期;单位是秒(s) [5]

6、频率(Frequency):正弦交流电在一秒钟内循环变化的周数叫做频率;单位是赫兹(Hz)目前,我国生活工作用电的频率为50Hz。

应用

交流电开始得到广泛应用还是在19世纪80年代以后,那时相继发明了变压器、三相制、旋转磁场和异步电动机;交流电路理论也随着这些应用的需要而逐步建立,例如用相量表示正弦量的方法就是1893年C.P.施泰因梅茨提出的。1907年三极真空管的发明,为产生更高频率的交流电及其在无线电方面的应用提供了条件。

目前,在动力方面,绝大部分电力网都是交流的,因为交流电可以方便地变换电压;交流电机在结构上也比直流电机简单;在需要直流的地方还可以很方便地采用电子整流装置。中国1980年在东北建立的超高压输变电线路就是用的50万伏交流电。

在信息传输方面也时常用到交流电,例如载波通信的载波电流就是交流电。 [6]

交流电被广泛运用于电力的传输,因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。传输的电流在导线上的耗散功率可用焦耳定律(P =I ²R)求得,显然要降低能量损耗需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限,很难降低目前使用的输电线路(如铜线)的电阻,所以降低传输的电流是唯一而且有效的方法。根据P=IU(实际上有功功率 ),提高电网的电压即可降低导线中的电流,以达到节约能源的目的。

而交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特,从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全,在进户之前再次降低至市电电压或者适用的电压供用电器使用。

按相位分类

目前各国使用的交流电相位主要为单相及三相。

1、三相交流电: 电动势、电压及电流的最大值相等、频率相同,彼此之间有120°相位差的三个正弦交流电。[7]

三相交流电,输电时只有三条火线,供电给客户时有三条火线和中线。只使用其中一条相线及中线,便是单相电。火线如果相电压是220V,线电压则是380V。

三相电一般为三相四线。三个相线的符号为L1,L2,L3,也可以分别表示为A,B,C,分别代表相线1,相线2,相线3,L为Live Wire的缩写,零线的符号为N,为Neutral Wire的缩写。地线为E,为Earth的缩写。

2、单相交流电 ;交流电(AC)是指大小和方向会随时间周期性变化的电压或电流。大多数的电器设备都是由交流220V、50Hz作为供电电源,这是我国公共用电的统一标准。

单相交流电,其电缆有一条火线和一条中线,用于一般住宅及商业楼宇。[8]

单相电有火线和零线两条线,火线为L,为Live Wire的缩写,零线为N,为Neutral Wire的缩写。地线为E,为Earth的缩写,也可以写作PE,为Protecting Earth的缩写。

工频的来源

最早的商用交流电频率是60Hz,电压是110V,由美国西屋电气公司实现,商用交流电网也是在美国首次投入运营,而美国是采用英制单位的,为计算方便故采用了60Hz/110V的规格。

商用交流电大获成功之后,欧洲迅速引进了交流发电、馈电技术,而欧洲英国外均使用公制单位,为计算方便将频率改为了50Hz。后因110V电压较低,电网传输损耗较大,为改善这种状况,在交流电网没有大规模建设因而没有“负担”的欧陆国家采用了220V的电压规格,这是由110V倍压而来,技术改造相对最简单,于是在欧陆国家就形成了220V/50Hz的交流电网标准。

中国最早的交流电网并没有统一的标准,只是局部的小型电网,设备由各发达工业国提供,规格五花八门,在蒋介石基本统一中国后,选定了公制为中国的度量衡标准,故电网的建设开始全面转向公制基础。1949年以后,中国的工业化全面转向苏联模式,电网建设也遵照苏联标准,而苏联采用的也是欧陆标准,于是 220V/50Hz最终定格为中国的电网标准。[9]

相关视频

1、三相交流电的产生

三相交流电的产生

2、什么是直流电交流电

什么是直流电交流电

外部连结

参考来源

  1. 交流电之父——特斯拉对交流电的贡献,电子发烧友网,2017年12月25日
  2. 交流电之父——特斯拉对交流电的贡献,电子发烧友网,2017年12月25日
  3. 正弦交流电的产生,个人图书馆网,2018-07-06
  4. 交流电的产生,高中物理网
  5. 电源基础知识-交流电、三相电流,日图科技网,2019-10-26
  6. 交流电产生和应用,天涯社区网,2009-12-09
  7. 电源基础知识-交流电、三相电流,日图科技网,2019-10-26
  8. 直流电与交流电基础知识,土木工程网,2018-03-28
  9. 交流电的频率,中国科学院国家授时中心网,2012-09-19