我们生活在电的时代,电能的应用非常广泛，它在工业、农业、交通

我们生活在电的时代,电能的应用非常广泛，它在工业、农业、交通运输、国防建设、科学研究及日常生活中用得越来越多，电能的生产和使用规模，以成为社会经济发展的重要标志。大小和方向都随时间作周期性变化的电流，叫做交变电流，简称交流．交变电流比起直流电流来有许多优点．交变电流可以利用变压器升高或者降低电压，可以驱动结构简单、运行可靠的感应电动机．因此在工农业生产和日常生活中普遍使用交变电流．交变电流的产生使矩形线圈abcd在匀强磁场中匀速转动．可以看到电流表的指针随着线圈的转动而摆动，并且线圈每转一周，指针左右摆动一次．这表明转动的线圈里产生了大小和方向都随时间做周期性变化的交变电流．线圈abcd在磁场中转动时，它的ab边和cd边切割磁感线，在线圈中产生感应电动势，在电路中就产生感应电流．在线圈平面垂直于磁感线时，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这样的位置叫做中性面.线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次．因此线圈转动一周,感应电流的方向改变两次.交变电流的变化规律图中标a的小圆圈表示线圈ab边的横截面，标d的小圆圈表示线圈cd边的横截面．设线圈平面从中性面开始转动，角速度是ω．经过时间t，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt．设ab边的长度是L，磁感应强度是B，ab边中的感应电动势就是eab=BLvsinωt．cd边中的感应电动势跟ab边中的大小相同，而且两边又是串联的，所以，这一瞬间整个线圈中的感应电动势e＝2BLvsinωt．令Em＝2BLv，我们得到e=Emsinωt．（1）式中的e随着时间而变化，不同的时刻有不同的数值，叫做电动势的瞬时值，Em是电动势能达到的最大值．上式表明，电动势是按照正弦规律变化的．如果把线圈和电阻组成闭合电路，电路中就有感应电流．实验证明，在只含有电阻的电路中，适用于直流电路的欧姆定律也适用于交流电路．设闭合电路的总电阻为R，则电流的瞬时值i＝e/R＝（Em/R）sinωt，其中Em/R为电流的最大值，用Im表示，于是有i=Imsinωt．（2）可见，感应电流也是按正弦规律变化的．这时，电路的某一段上电压的瞬时值同样是按着正弦规律变化的，即u=Umsinωt．（3）其中电压的瞬时值u＝iR′，电压的最大值Um＝ImR′，R′是该段电路的电阻．这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦交变电流．图示为正弦交变电流的电动势e、电流i和电压u随时间变化的图象．正弦交变电流是一种最简单又最基本的交变电流．家庭电路的交变电流就是正弦交变电流．实际中应用的交变电流，不只限于正弦交变电流，它们随时间变化的规律是各种各样的．图中表示出几种交变电流的波形．交流发电机交流发电机构造比模型复杂得多，但基本组成都是有产生感应电动势的线圈（通常叫电枢）和产生磁场的磁极，电枢转动，磁极不动的发电机，叫做旋转电枢式发电机。磁极转动，而电枢不动的发电机，叫做旋转磁极或发电机。恒定电流不随时间而变化，要描述电路中的电流或电压，只要指出电流或电压的数值就够了．交变电流的电流或电压，大小和方向都随时间作周期性的变化，要描述它们，需要的物理量就要多些．下面讨论表征正弦交变电流的物理量．最大值和有效值交变电流的最大值（Im和Um）它是交变电流在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来表示交变电流的电流强弱或电压高低.交变电流的最大值在实际中有重要意义．例如把电容器接在交流电路中，就需要知道交变电压的最大值．电容器所能承受的电压要高于交变电压的最大值，否则电容器就可能被击穿．交变电流的有效值它是根据电流的热效应来规定的．让交流和直流通过相同阻值的电阻，如果它们在相同的时间内产生的热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值．通常用I和U分别表示交流的电流和电压的有效值．例如某一交流通过一段电阻丝，在一段时间内产生的热量为Q，如果改用3A的直流通过这段电阻丝，在相同的时间内产生的热量也为Q，那么，这一交变电流的有效值就是3A．计算表明，正弦交变电流的有效值与最大值之间有如下的关系：我们通常说家庭电路的电压是220V，便是指有效值．各种使用交变电流的电气设备上所标的额定电压和额定电流的数值，一般交流电流表和交流电压表测量的数值，也都是有效值．以后提到交变电流的数值，凡没有特别说明的，都是指有效值．周期和频率周期线圈匀速转动一周，电动势、电流都按正弦规律变化一周．我们把交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做交变电流的周期，通常用T表示，单位是s．频率交变电流在1s内完成周期性变化的次数，叫做交变电流的频率，通常用f表示，单位是赫兹（Hz）．根据定义，周期和频率的关系是周期和频率都是表示交变电流变化快慢的物理量,我国工农业生产和生活用的交变电流，周期是0.02s，频率是50Hz．在直流电路中，影响电流跟电压关系的只有电阻．在交流电路中，影响电流跟电压关系的，除了电阻以外，还有电感和电容．电感对交变电流的阻碍作用把电感线圈L和白炽灯泡串联在电路里．利用双刀双掷开关S可以分别把这个电路接到直流电源或交流电源上．实验中取直流电压跟交流电压的有效值相等．实验表明，接通直流电源时，灯泡亮些；接通交流电源时，灯泡变暗．这表明电感对交变电流有阻碍作用．电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗来表示．实验表明，线圈的自感系数越大、交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大，感抗也就越大．在电工和电子技术中使用的扼流圈，就是利用电感阻碍交变电流的作用制成的．扼流圈通常有两种，一种叫低频扼流圈（图甲）．线圈绕在闭合的铁芯上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数为几十H．这种线圈对低频交变电流就有很大的阻碍作用．而线圈的电阻较小，对直流的阻碍作用较小．这种线圈可用来“通直流，阻交流”．另一种叫高频扼流圈（图乙）．线圈有的绕在圆柱形的铁氧体芯上，有的是空心的，匝数为几百，自感系数为几个毫H．这种线圈对低频交变电流的阻碍作用较小，对高频交变电流的阻碍作用很大，可用来“通低频，阻高频”．交变电流能够通过电容器把白炽灯泡和电容器串联在电路里．如果接通直流电源，灯泡不亮，说明直流不能通过电容器．如果接通交流电源，灯泡就亮了，说明交流能够“通过”电容器．我们看到，这里交流又表现出跟直流不同的特性．直流不能通过电容器是容易理解的，因为电容器的两个极板被绝缘介质隔开了．当电容器接到交流电源上时，实际上自由电荷也没有通过电容器两极板间的绝缘电介质，只不过在交变电压的作用下，当电源电压升高时，电容器充电，电荷向电容器的极板上集聚，形成充电电流；当电源电压降低时，电容器放电，电荷从电容器的极板上放出，形成放电电流．电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流“通过”了电容器．电容器对交变电流的阻碍作用交流能够通过电容器，但电容器对交流也有阻碍作用。电容对交流的阻碍作用的大小，用容抗来表示．实验表明，电容器的电容越大、交流的频率越高，电容器对交流的阻碍作用就越小，容抗也就越小．使用220V交流电源的电气设备和电子仪器，金属外壳和电源之间都有良好的绝缘．但是，有时候用手触摸外壳时仍会感到“麻手”，用试电笔测试时氖管也会发光，这是为什么呢？原来，与电源相连的机芯和金属外壳可以看作电容器的两个极板，电源中的交变电流能够“通过”这个“电容器”．虽然这一点点“漏电”一般不会造成人身危险，但是为了确保安全，电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地．电感和电容对交流的阻碍作用的大小不但跟电感、电容本身有关，还跟交流的频率有关．这种关系可以简单概括为：电感是“通直流、阻交流，通低频、阻高频”．电容是“通交流、隔直流，通高频、阻低频”．在实际应用中，常常需要改变交流的电压．大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压．各种用电设备所需的电压也各不相同．电灯、电饭锅、洗衣机等家用电器需要220V的电压，机床上的照明灯需要36V的安全电压．一般半导体收音机的电源电压不超过10V，而电视机显像管却需要10000V以上的高电压．交流便于改变电压，以适应各种不同的需要．变压器就是改变交流电压的设备．变压器原理图示为变压器的示意图．变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的．一个线圈跟电源连接，叫原线圈（也叫初级线圈）；另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（也叫次级线圈）．两个线圈都是用绝缘导线绕制成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成．在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量．这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势．如果副线圈电路是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变磁通量．这个交变磁通量既穿过副线圈，也穿过原线圈、在原、副线圈中同样要引起感应电动势．在原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象．互感现象是变压器工作的基础．由于互感现象，绕制原线圈和副线圈的导线虽然并不相连，电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈．原线圈和副线圈中的电流共同产生的磁通量，绝大部分通过铁芯，只有一小部分漏到铁芯之外．在通常的计算中可以略去漏掉的磁通量，认为穿过这两个线圈的交变磁通量相同，因而这两个线圈的每匝产生的感应电动势相等．设原线圈的匝数是n1，副线圈的匝数是n2，穿过铁芯在原线圈中，感应电动势E1起着阻碍电流变化的作用，跟加在原线圈两端的电压U1的作用相反．原线圈的电阻很小，如果略去不计，则有U1＝E1．副线圈相当于一个电源，感应电动势E2相当于电源的电动势．副线圈的电阻也很小，如果忽略不计，副线圈就相当于无内阻的电源，因而副线圈的端电压U2=E2．于是得到这种略去原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，称为理想变压器．可见，理想变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比．n2＞n1时，U2＞U1，变压器使电压升高，这种变压器叫做升压变压器．n2＜n1时，U2＜U1，变压器使电压降低，这种变压器叫做降压变压器．变压器原、副线圈的电流I1、I2之间又有什么关系呢？变压器工作的时候，输入的功率一部分从副线圈输出，另一部分消耗在发热上．但是消耗的功率一般不超过百分之几，特别是大型变压器效率可达97％～99.5％．所以，一般可以将它们认为是理想变压器，它们输入的电功率I1U1等于输出的电功率I2U2，即I1U1=I2U2．由U1/U2=n1/n2可以知道可见，变压器工作时，原线圈和副线圈中的电流跟它们的匝数成反比．变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当用较粗的导线绕制．几种常用的变压器变压器的种类很多，我们介绍几种常用的变压器．图是自耦变压器的示意图．这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈．如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压（图甲）；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压（图乙）．调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图所示．线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上，AB之间加上输入电压U1，移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2．互感器也是一种变压器．交流电压表和电流表都有一定的量度范围，不能直接测量高电压和大电流．用变压器把高电压变成低电压，或者把大电流变成小电流，这个问题就可以解决了．这种变压器叫做互感器．互感器分电压互感器和电流互感器两种．电压互感器用来把高电压变成低电压，它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表．根据电压表测得的电压U2和铭牌上注明的变压比（U1/U2），可以算出高压电路中的电压．为了工作安全，电压互感器的铁壳和副线圈应该接地．电流互感器用来把大电流变成小电流．它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表．根据电流表测得的电流I2和铭牌上注明的变流比（I1/I2），可以算出被测电路中的电流．如果被测电路是高压电路，为了工作安全，同样要把电流互感器的外壳和副线圈接地．电能便于输送．用输电导线把电源和用电设备连起来，就可以输送电能了．这是电能的一个突出优点．输送电能的基本要求应当是：可靠、保质、