交流电是怎样产生的

第三章交变电流3.2交变电流是怎样产生的高中物理选修3－2莆田第五中学物理组林剑峰R直流电源R交流电源I在t时间内产生的热量为Q在同个电阻R上、相同时间t内，产生相同的热量Q0t/sUm或ImU或I2mIIUU2m注意：非正弦（或余弦）交流的有效值和峰值之间无此关系。t/st/sU或IU或I2mIIUU2m2mIIUU2m其他波样正弦半波正弦单向脉动例1：如图表示一交流随时间变化的图像，求此交流的有效值。to123424iAs图1532221222TTIRTIRIR2222141()()2222I5IA上面演示几种方式都能产生交变电流。我们也把能将机械能转化为电能的装置称为发电机。发电机磁体与闭合导体间的相对运动方式一般采用旋转式如何产生交变电流？交流发电机磁极磁极电枢（线圈）有些发电机的磁极是用电磁铁，这种发电机称为励磁发电机发电机根据旋转主体不同可分为：旋转电枢式发电机旋转磁极式发电机发电机中转的称为转子，不转的称为定子交流发电机受条件限制，一般提供低于500V电压旋转电枢式发电机旋转磁极式发电机能提供高达几万V的电压，常是大型发电机采用的方式问题1.在线圈转动过程中,哪些边在切割磁感线?a(b)(c)dv1v2acdHFb问题2.这两条边是否一直在切割?中性面的概念a(b)(c)dv3v4abcdHF没有边切割磁感线中性面：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面B⊥S，Φ最大，E=0,I=0问题3.若单匝线框所处位置与中性面垂直,设磁感应强度大小为B,ab边和cd边长均为L1,ad边和bc边长为L2,线框绕垂直于磁场并且过ad和bc边中点的轴旋转,角速度大小为ω.问:ab边和cd边切割产生的电动势分别是多大?21512abLEBLvBL21612cdLEBLvBLacdHFa(b)(c)dv5v621512abLEBLvBL中性面问题4.整个单匝线框在与中性面垂直位置时产生的感应电动势是多大?a(b)(c)dv5v6E=Eab+Ecd=BL1v5+BL1v6=BL1L2ω=Bsω思考:磁通量是多大?acdHF中性面0问题5.若单匝线框从中性面开始转动,经过一段时间t,在这一时刻整个线框产生的电动势又是多大?θV7V8acdHF中性面θV7V8θθacdHFb中性面tEemsin瞬时值峰值问题6.若n匝线框从中性面开始转动,经过一段时间t,在这一时刻整个线框产生的电动势又是多大?θV7V8menBssintEsintacdHFb中性面mE问题7.若有n匝线框在匀速转动,整个线框的总电阻为r,外电阻为R,则通过R的电流和加在R两端的电压分别是多少?θV7V8vui中性面meEsinteiRruiRmRuEsintRrmEisintRrmiIsintmuUsint瞬时值瞬时值峰值峰值问题8.前面是用表达式表示交流电的变化规律,怎样用图象表示交流电的变化规律?cbdaaaaabbbddddccctωtT3T/4T/2T/4O3π/2ππ/22πeEm=nBsωEmmeEsint作图时规定感应电动势正方向为dcbadcbdaaaaabbbddddccctωtT3T/4T/2T/4O3π/2ππ/22πiImrRnBsImmiIsintcbdaaaaabbbddddccc作图时规定感应电流正方向为dcbad思考：线圈在什么位置电流方向会发生改变？NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+SSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+NSSNeto+最大值e=BLVsintEmteo+峰值公式e=Emsinti=Imsint图形交变电流是按正弦规律变化的，叫做正弦式电流。e(i)to+(线圈处于中性面位置时开始计时)思考：若线框从垂直中性面开始计时，在t时刻线圈中的感应电动势？并画出图象。e=nBsωcosωt=EmcosωttωtT3T/4T/2T/4O3π/2ππ/22πeEm(一)交变电流：大小和方向随时间作周期性变化的电流，简称交流。其中按正弦规律变化的交流电叫正弦交流电。（二）正弦交流电的产生及变化规律当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动并且从中性面开始计时，线圈中产生的交流是随时间按正弦规律变化的，即正弦交流。跟磁感线垂直的平面叫做中性面。这一位置穿过线圈的磁通量最大，但线圈的磁通量变化率为零，线圈中无感应电动势。1、产生：2、中性面：小结:4、规律：函数表达式：从中性面开始计时tIimsin在纯电阻电路中:电流:电压:tUumsintEemsin电动势:SNBEm3、方向变化规律-------线圈平面每经过中性面一次，感应电流的方向就改变一次；线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。【练习1】某交流发电机产生的感应电动势与时间的关系，如图所示，如果其它条件不变，仅使线圈的转速加倍，则交流电动势的最大值和周期分别变为（）A．400V，0.02sB．200V,0.02sC．400V,0.08sD．200V,0.08s类比延伸如图所示，ABC是由均匀细导线制成面积为S的等边三角形线框，它以AC为转轴，在磁感应强度为B的恒定的匀强磁场中以恒定的角速度ω转动（俯视为逆时针旋转）,磁场方向与AC垂直指向纸内．请写出从这一时间开始计时,感应电动势随时间变化的关系式.×××××××××××××××××××××××××ACB×××××××××××××××××××××××××ACBe=nBSωsinωt（n=1）思考：线圈在磁场中绕垂直于磁场的轴旋转切割产生的电动势与线圈的形状是否有关？〖练习3〗一个电阻接在10V的直流电源上，它的发热功率是P，当接到电压为u=10sinωtV的交流电源上，它的发热功率--------------------（）A．0.25PB．0.5PC．PD．2PB练习3：如图所示，共n匝、阻值为r、边长为L的正方形线圈的一半放在具有理想边界的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，线圈轴线OO′与磁场边界重合。线圈按图示方向匀速转动，转动的角速度为ω。开始计时的时刻，线圈平面与磁场方向垂直，规定电流方向沿abcd为正方向。则线圈内感应电流随时间变化的图像应是图（乙）中的【例4】如图所示，矩形线圈的匝数为n，线圈面积为S，线圈内阻为r，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO’轴以角速度ω匀速转动，外电路电阻为R。在线圈由图示位置转过90°的过程中，求：(1)通过电阻R的电量q；解析：在此过程中，穿过线圈磁通量变化BS所用时间42Tt产生的平均电动势为2()EnBSIRrRr2EnnBSt平均电流为通过R的电量nBSqItRr（2）电阻R上产生的焦耳热Q在此过程中电阻R上的焦耳热为一个周期内产生焦耳热的1／4，221122()44nBSQIRTRRr22()()RnBSRr【例5】如图所示，线圈的面积是0.05㎡，共有100匝；线圈电阻为1Ω，外接电阻R＝9Ω，匀强磁场的磁感应强度为B＝1／πT，当线圈以300r/min的转速匀速旋转时，求：(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时表达式；解析：sin2sin(2)meEtNBSnnt13003001000.052sin(2)6060t50sin(10)tV(2)线圈转过1／30s时电动势的瞬时值多大；当t＝1／30s时，电动势的瞬时值150sin(10)43.330eV(3)电路中电压表和电流表示数各是多少。电动势的有效值为电流表的示数电压表的示数5035.422mEEV35.43.5491EIARr3.94931.86UIRV（4）线圈每转过一周，外力所做的功。线圈转动一周外力做的功等于电路中产生的电能T＝2π／ω2EWPTTRr〖练习6〗边长为a的单匝正方形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中，以OO’为轴匀速转动，角速度为ω，转轴与磁场方向垂直，线圈电阻为R，求：(1)线圈从图示位置转过T／4的过程中产生的热量Q解析：2mEBa222mIBaIR42Tt22242242BaBaQIRtRRR(2)线圈从图示位置转过T／4的过程中通过线圈某截面的电量q解析：2222BaBaEt22EBaIRR2222BaBaqItRR