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.docx

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、经济．
可靠，是指保证供电线路可靠地工作，少有故障和停电．保质，就是保证电能的质量——电压和频率稳定．因为各种用电设备都是按着一定的工作电压（使用交流的用电器还按一定频率）设计、制造的，供电电压过低或过高，用电器都不能正常工作，甚至被损坏．经济，则是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少，电价低．

输电导线上的功率损失
任何输电线都具有电阻，因而输电过程中必然有一部分电能转化成热而损失掉．设输电电流为I，输电线的电阻为R，则功率损失为
△P＝I2R．
在输电线上的这种损失显然是一种浪费，我们要尽量减少它．一般要求这种损失不超过输送功率的10％．
怎样才能减少输电中的功率损失呢？可以有两种方法．

电线长度L一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小、横截面积大的导线．目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料．但是，要增大导线的横截面积，就要多耗费金属材料，会使输电线太重，给架线也带来很大困难．实际上，有时即使把横截面积增大到十分惊人甚至实际做不到的程度，也不能把功率损失降低到要求的范围以内．
另一种方法是减小输电导线中的电流．在导线电阻不变的条件下，电流如果减小到原来的百分之一，功率损失△P=I2R就减小到原来的万分之一．输送功率的大小是由输电任务决定的，不能任意变动．要保证输送功率P不变，由P＝UI知道，必须提高输电的电压U，才能减小电流I．这就是要采用高压输电的道理．

输电线路上的电压损失
输电导线有电阻，欧姆定律告诉我们，电流通过输电导线时，会在线路上产生电势降，致使输电线路末端（也就是用电设备两端）的电压U′比起始端电压U要低．这个差值△U＝U－U′称为输电线路上的电压损失．
对交流输电线路来说，既有电阻造成的电压损失△U＝IR，也有感抗和容抗（总称电抗）造成的电压损失．交流通过输电导线时，由于自感电动势阻碍电流的变化，会产生感抗．导线架在空中，和大地这一导体之间构成电容器；导线敷设在地下，需要用绝缘层和大地隔开，导线和大地也构成电容器．电容器对交流有阻碍作用，会产生容抗．感抗和容抗都会造成电压损失．当输电线路电压较高，导线截面积比较粗时，电抗造成的电压损失常比电阻造成的还要大！
线路上电压损失太大，送到用电设备的电压就会太低，这样可能达不到用电设备的额定电压，影响正常使用．比如电灯不亮，电动机运转不正常或转不动等等．这就造成电能质量不高，即使输送到用户．技术上也不能满足需要．无法使用．通常要求线路上的电压损失不超过正常输电电压的10％～15％．
减小输电线路上的电压损失也有两种方法．一种是增大输电导线的截面积以减小电阻．但这种方法只在低压照明电路上才有效、在高压线路上，电抗造成的电压降常比电阻造成的还要大，而增大导线截面积对减小电抗不起多大作用．因此，这种办法效果不佳．另一种是减小输电电流．在输送电功率不变的前提下，必须提高输电电压．
通过以上分析，我们看到，无论从减小输电中的功率损失，还是从减小电压损失方面看，都要求提高输电电压，减小输电电流．
但也不是说输电电压越高越好，可以无限制提高电压．电压越高，对输电线路绝缘的要求越高，线路修建费用就会增多．输电电压越高，变压器上的电压也越高，制造变压器时在绝缘、结构等方面的要求也相应增加．实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率大小、距离远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择适合的输电电压．
如果输送功率比较大，输电距离比较远，就要采用较高的电压输电．电压低了，势必要加大导线的横截面积．如果输送功率不太大，距离也不太长，就不必用太高的电压输电．电压高了反而增加花在绝缘上的费用，而且导线因机械强度的限制又不能太细．例如，输送功率为100kW以下，距离为几百米以内，一般采用220V的电压送电．这就是通常用的低压线路．输送功率为几千千瓦到几万千瓦，距离为几十千米到上百千米，一般采用35kV或110kV的电压送电．这就是所谓高压输电．如果输送功率为10万千瓦以上，距离为几百千米，就必须采用220kV甚至更高的电压送电．这就是所谓超高压输电．

目前我国远距离送电采用的电压有110kV、220kV和330kV．在少数地区已开始采用500kV的超高压送电．目前世界上正在试验的最高输电电压是1150kV．
大型发电机发出的电压，等级有10.5kV、13.8kV、15.75kV、18.0kV，都不符合远距离送电的要求．因此，要在发电站内用升压变压器升压后再向远距离送电．如果输电电压是220kV或330kV，到了用电区，先在一次高压变电所降到110kV，再由二次高压变电所降到10kV，其中一部分送往需要高电压的工厂，另一部分送到低压变电所降到220/380V，送给一般用户．

三相交变电流的产生
只有一个线圈在磁场里转动，电路里只产生一个交变电动势，这样的发电机叫做单相交流发电机，它发出的电流叫做单相交变电流．如果在磁场里有三个互成120°的线圈同时转动，电路里就产生三个交变电动势，这样的发电机叫做三相交流发电机，它发出的电流叫做三相交变电流．
图示为三相交流发电机的示意图．在铁芯上固定着三个相同的线圈AX、BY、CZ，始端是A、B、C，末端是X、Y、Z，线圈平面互成120°角．匀速转动铁芯，三个线圈就在磁场里匀速转动．这三个线圈是相同的，它们产生出三个最大值和周期都相同的交变电动势．
如果像图中那样把每个线圈分别跟负载1、2、3连接起来，三相发电机就相当于三个独立的电源同时供电．

这三个线圈中的电动势虽然最大值和周期都相同，但是它们不能同时为零或者同时达到最大值．由于三个线圈的平面依次相差120°角，它们到达零值（即通过中性面）和最大值的时间，依次落后1/3周期．如果取图中所示的瞬间作为时间的起点，即t＝0时线圈AX位于中性面上，三个线圈里的电动势就可以用图中的三条正弦曲线来表示．
在实际应用中，三相发电机和负载并不是用六条导线连接，而只用三条或四条导线连接．

星形连接
如果把线圈的末端和负载之间的三条导线合在一起，照图中那样用一条导线来连接，每相负载上的电压并不改变，却可以节省两条导线．这种连接方法叫做星形连接（符号是Y）．从每个线圈始端引出的导线叫做端线，也叫相线，在照明电路里俗称火线．从公共点引出的导线叫做中性线，照明电路里中性线是接地的，叫零线．
在三相电路里，每个线圈两端的电压叫做相电压，两条端线之间的电压叫做线电压．在星形连接中，端线跟中性线之间的电压就是相电压．在我国日常电路中，相电压是220V，线电压是380V．

三角形连接
如果把发电机的三个线圈的始端和末端依次相连，并照图中那样跟负载相连，这种连接方法叫做三角形连接（符号是△）．在三角形连接中，每两条端线之间的电压就是其中一个线圈的相电压．所以线电压等于相电压．

在磁铁中间放一个铝框，如果转动磁铁，造成一个旋转磁场，铝框就随着转动．不仅转动磁铁可以产生旋转磁场，用三相交变电流也可以产生旋转磁场．感应电动机就是根据这个原理制成的．
感应电动机有一个定子（图甲）和一个转子（图乙）．在定子内侧的凹槽里，嵌有互成120°角的三组线圈（定子绕组），把这三组线圈用星形连接法或三角形连接法连入三相电路中．就产生旋转磁场．

感应电动机的转子是由铁芯和嵌在铁芯上的闭合导体构成的．闭合导体是由嵌在铁芯凹槽中的铜条（或铝条）和两个铜环（或铝环）连在一起制成的，形状像个鼠笼（图丙），所以这种电动机也叫鼠笼式感应电动机．这个闭合导体相当铝框，有了旋转磁场，它就转动起来．
感应电动机的构造简单，要改变转动方向，只要把定子上的任意两组线圈的电流互换一下就行．这种电动机在制造、使用和保养上都比较简单，广泛应用在工农业生产上．能够使用感应电动机，是三相交变电流的突出的优点．