交流电是个什么玩意儿？

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交流电是个什么玩意儿？

人们最早发现、利用的电流是直流电，1800年意大利物理学家伏特研制的化学电池---伏打电池就是直流电；1822年法拉第先生发现电磁感应现象后，交流电慢慢的被人类所认识、开发、利用，以其独有的优势迅猛发展，推动了工业革命的发展、社会的进步。同任何新生事物一样，人们对它总会投以异样的眼光，大名鼎鼎的电灯发明人爱迪生先生就对交流电鄙夷不屑，而伟大的特斯拉先生却对交流电情有独钟，大力研发，两人为直流电与交流电展开了激励的斗争，最后分道扬镳；而特斯拉先生继续研究交流电，并为其发展、利用做出了卓越的贡献。

伟大的爱迪生与特斯拉先生

一、何谓直流电？讲交流电之前不得不先说一下直流电，因为其较直流电在概念、计算上比较简单。直流电就是方向不变的电动势、电压、电流；大小、方向均不变的直流电叫稳恒直流（如下图）；方向不变，大小变化的直流电叫做脉动直流。需要指出的是电压、电流不仅有大小之分，还有方向之分，否则就不会有交流电了。我们常用的电池提供的就是直流电，电子电路正常工作的电源就是直流电。为了电路的稳定、可靠我们要求直流电源提供的电压、电流的稳定要搞，因此就有了稳压电源，其波动情况作为电源质量指标之一。

直流电

二、言归正传，那么交流电是什么玩意了？大小和方向均随时间作周期性变化且平均值为零的电动势、电压和电流统称为交流电。注意这个定义中的几个关键词：大小、方向、周期性、平均值为零，因此脉动直流虽然大小之变化但它属于直流电，因为其平均值不为零，交流噪声虽然大小、方向变化，但其平均值不为零，因此只能称作交流噪声电流。交流电变化规律有多种多样，诸如正弦波、三角波、矩形波等（见下图），但应用最普遍的是正弦交流电。因为所有做周期性变化的函数中，正弦函数为简谐函数，同频率的正弦量通过加减、积分、微分等运算后，其结果仍是同一频率的正弦量，这样就使电路的计算变得简单。另外电器设备在正弦交流电的作用下具有良好的特性。而其它形式的交流电在数字电路中应用广泛。我们日常使用的220v、380v电源就是正弦交流电，无线电中的中频、高频、甚高频等也是正弦交流电。其它交流电称作非正弦交流电。傅立叶函数告诉我们，任何一个周期性变化的函数都可以分解为频率、幅值不同的正弦交流电之和，这个概念对于我们认识、理解电路十分有益。

正弦交流电

矩形波与三角波

三、正弦交流电是如何产生的？产生交流电的方式有许多种：交流发电机、变压器、振荡电路等。最直观、最易理解、认识交流电的还是单相交流发电机。如下图所示。它是由固定磁极（可以是永磁体液可以是励磁绕组）、电枢绕组组成。

交流发电机模型

1.交流电的周期、频率、角频率的概念：电枢绕组在磁场中做匀速旋转时，有效边ab、cd切割磁力线会产生感应电动势和感应电流，并且随着转动其大小、方向做周期性变化；通过右手定则判断我们发现电枢每转动1圈，电动势、电流方向就改变一次。转动一圈的时间就是正弦交流电的周期，符号T，单位为秒s；而每秒中交流电变化的次数叫频率，符号f，单位赫兹Hz，二者的关系为f=1/T；，引入一个角频率ω,指的是转子旋转时，单位时间内转过的弧度ω=2π/T=2πf（转动一圈的弧度为2π），单位弧度每秒rad/s，这就是交流电。由于其频率的可变性，我们根据各种需要可以做出各种频率的交流电，比如我们220v市电频率为50Hz，收音机中波535kHz--1605kHz，调频超短波88MHZ--108MHz......这一点是直流电无法比拟的。如果频率f足够小，在发电机上接一灯泡的时候，我们会发现灯泡随着转子的旋转明暗周期性变化，且转动越快，明暗变化越快，最后感觉不到了变化，因为人的视觉暂留使我们感觉不到其变化，通过高速摄像机可以观察到其明暗变化。

交流发电机的有效边、中性面

2.大小周期性变化原理：上面我们说了交流电的周期、频率，那么其大小是如何变化的，如何就成了正弦交流电？我们知道导体切割磁力线产生的电动势大小φ=BLV，就是感生电动势的大小与磁感应强度、导体长度、速度成正比。而转子导体的有效边在磁场中是绕轴做圆周运动，其运动方向周期性变化，也就是线速度的方向做周期性变化，其分量为vsinωt，也就是与磁力线切割的部分速度，这样就产生了大小做周期性变化的电流，并且是按正弦规律变化，交流电公式u=Umsinωt，其有一个最大值Um，也就是有效边线速度与磁力线垂直的时候（1-2位置），交流电的瞬时值最大，有一个最小值也就是与中性面o-o重叠的时候，此时v与磁力线平行，有效边不切割磁力线，瞬时值为零。试想如果导体是做直线匀速运动，其大小、方向不会改变。

3.正弦交流电的相位:通过以上的分析我们认识了正弦交流电的大小、方向做周期性变化。如果交流电发电机转子的有效边起始位置不同，则瞬时值就不同，比如在位置1、2、3、4做为起始位置，则其瞬时值的大小、方向不同，这就是相位问题，交流电特有的，对于单一的一个交流电，描述其相位意义不大，因为其不影响交流电的有效值。不同的交流电共同作用在一个电路中时，各自的相位关系到合成以后的大小。当t=0时的相位称为交流电的初相位，用ψ表示。两个不同的交流电的初相位称为相位差ψ12表示。交流电的完整瞬时值表达式u=Um（sinωt+ψ）

交流发电机模型

4.交流电的其它产生方式：以上是正弦交流电的一种产生方式，也是最早、最基本的方式。现代电子技术里面产生各种频率的交流电，大多是通过振荡电路进行的，比如变压器反馈式振荡电路、哈特莱振荡电路、考毕兹振荡电路等。如下图6管超外差式收音机电路中的变频器就是一个振荡电路，用于产生高于输入信号465kHz的高频本振信号。非正弦交流电的产生方式非常多，比如多谐振荡器产生矩形脉冲信号。

6管超外差式收音机电路图中的振荡电路

四、交流电的主要特点

1. 交流电的三要素：幅值、角频率、相位，瞬时值表达式u=Um（sinωt+ψ）。幅值Um反映了其大小，角频率ω反映了其变化的快慢，相位ψ反映了其变化状态。瞬时值反映了其变化情况，使用上不方便，于是引入一个有效值的概念用来描述交流电，其与幅值的关系为Um=1.414U,U为交流电的有效值，我们市电220v就是指交流电的有效值，而其幅值为311v。而直流电只有电压、电流就可描述清楚。交流电在计算上比直流电要复杂一些。

2. 交流电能够通过变压器进行升压、降压进行电源变换，也可以进行信号传递，直流电不能（脉动直流除外），非常方便；这是其最大的优点。

3. 交流电能够通过电容器；在输送过程中容易产生电容损耗；

4. 交流电有单相交流电、三相交流电之分；

5. 交流电动机与直流电动机在原理、结构上是不同的；

交流电、直流电息息相关，缺一不可，共同组成了丰富多彩的应用电路，广泛应用在不同的场合，交流电通过整流电路可以变成直流电，直流电通过逆变电路可以变为交流电。