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3.1 交流电的产生
人教版（2019）高中物理必修第二册
观察交变电流的方向：
现象：
说明：
发电机产生的交流电电流方向在不断变化。
两个二极管会交替发光
用示波器或电压传感器先观察电池供给的电压的波形，再观察学生电源交流挡供给的电压的波形。这两种波形各有什么特点？
１.直流电(DC)：
电流方向不随时间而改变
２.交变电流(AC)：大小和方向都随时间做周期性变化的电流
一、交变电流与直流电的概念
t
i
0
例1.如图所示，其中不表示交变电流的是(　　)

C
例
电站的发电机
1、交流发电机的基本构造
E
F
基本组成：
定子：不动的部分叫定子
--磁极(产生匀强磁场)
转子：转动的部分叫转子
--电枢(产生感应电动势的线圈)
作用：将机械能转化为电能
转子
定子
abcd——线圈（切割磁感线）
K、L——圆环
E 、 F——电刷
｝
使线圈在转动时保
持与外电路的连接
二、交变电流的产生
交变电流产生示意图：
将立体图转化为侧视图来分析
A
B
C
D
v
问题:当线圈在磁场中绕轴转动时,哪些边切割磁感线?
v∥B，没有边切割磁感线。
1.起始位置
特点：1.B⊥S，φ最大
2.没有切割，E=0，I=0
此时位置称之为--中性面

B⊥S，φ最大
E=0，I=0
甲
乙
A
B
C
D
2.向左转过90度
a（b）、d（c）边垂直切割磁感应线，
特点：1.B∥S，φ=0，E最大，I最大，

E最大，I最大
2.感应电流方向DCBA
B∥S，φ=0
I方向：dcba
问题:当线圈在磁场中绕轴转动时,哪些边切割磁感线?
A
B
C
D
3.转过180度
v∥B，没有边切割磁感线。
特点：B⊥S，φ最大
没有切割，E=0，I=0
此时位置称之为--中性面
B⊥S，φ最大
丙
A
B
C
D
4.转过270度
特点：1.B∥S，φ=0，E最大，I最大，
a（b）、d（c）边垂直切割磁感应线，
E最大，I最大
2.感应电流方向ABCD
B∥S，φ=0
丁
I方向：abcd
中性面：磁通量φ最大；
感应电动势E=0；
电流I方向改变
I=0 中性面
I方向：dcba
I=0 中性面
I方向：abcd
o
D
C
B
A
D
A
C
B
与中性面垂直：
磁通量φ=0；
感应电动势E最大
线圈转动一周，电流方向改变2次
E
t
对比分析
B⊥S
Φ最大
E=0
I=0
中性面
B∥S
Φ=0
E、I最大
V // B
V⊥B
每经过中性面一次， 电流方向就改变一次。
线圈转动一周，电流方向改变2次
与中性面垂直
三、交变电流的变化规律
设磁感应强度是B，AB、CD长为l，AD、BC宽为d，线圈匀速转动的角速度是ω，设t＝0时线圈所在平面与磁场反向刚好垂直，则t=t时刻线圈产生的电动势为多少？
A(B)
D(C)
B
v
A
D
·
×
中性面
线圈与中性面的夹角是多少？
AB边速度方向与磁场方向夹角是多大？
AB边的速度多大？
????t
?
AB边中的感应电动势多大？
设磁感应强度是B，AB、CD长为l，AD、BC宽为d，线圈匀速转动的角速度是ω，设t＝0时线圈所在平面与磁场反向刚好垂直，则t=t时刻线圈产生的电动势为多少？
A(B)
D(C)
B
v
A
D
????t
?
·
×
此时线圈中的感应电动势多大？
⑥若线圈由N匝组成，此时感应电动势多大？
三、交变电流的变化规律
以线圈经过中性面开始计时，在时刻t 线圈中的感应电动势
e :为电动势在时刻t的瞬时值
Em :为电动势可能达到的最大值——峰值
令 Em = NBSω 则 e = Em sin ωt
若为N匝线圈
e=BSω sin ωt
e = NBSω sin ωt
e
o
Em
T/4
2T/4
3T/4
T
π/2
π
3π/2
2π
ωt
t
- Em
匝数
面积
三、交变电流的变化规律
思考：若该线圈给外电阻R供电，设线圈本身电阻为r，则负载两端的电压u、流过的电流i随时间变化的规律是怎样的？
流过负载的电流：
电流方向和大小随时间做周期性变化，其符合正弦函数变化规律，这样的交变电流叫做正弦式交变电流。
交变电流，简称交流（AC)
负载两端电压：
当线圈绕着与匀强磁场方向垂直的轴线匀速转动，就会产生正弦式交变电流。
Em = NBSω
★★★若从中性面开始计时，则：
t 时刻瞬时值
峰值（最大值）
注意：
（1）以上表达形式仅在从中性面开始计时的情况下成立。
（2）负载为纯电阻才能用欧姆定律推导，故瞬时电流i、瞬时电动势u，只适用于纯电阻。
若线圈从中性面的垂面（峰值面）开始计时，在t 时刻线圈中的感应电动势是多少？
B
v
A(B)
D(C)
中性面
ωt
t = 0
v‖
v⊥
ωt
另一种推导方式：
说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电
电动势变化规律：
负载两端电压变化规律：
故：从与中性面垂直的位置（峰值面）开始计时，瞬时值：
流过负载的电流变化规律：
注意：
(1)峰值与开始计时的位置（线圈转动的时间）无关，与线圈的形状、转轴的位置无关。
例如：下图所示的几种情况，如果N、B、S、W均相同，则感应电动势的峰值均为
(2)满足三个条件：匀强磁场、转轴垂直于磁场、匀速转动的任意形状线圈，产生的都是正弦式交变电流，均适用e = Emsin ω t 或 e = Emcosωt 。（与线圈的形状、转轴的位置无关；线圈在非匀强磁场中匀速转动，或者矩形线圈在匀强磁场中非匀速转动，产生的是一般交变电流。）
课堂总结
交变电流
交流发电机
交变电流的变化规律
电枢
磁极
交变电流的产生
[例题1]　[多选]矩形线框绕垂直于匀强磁场的轴(轴在线框平面内)匀速转动时产生了交变电流，下列说法正确的是(　　)
A．当线框位于中性面时，线框中的感应电动势最大
B．当穿过线框的磁通量为零时，线框中的感应电动势也为零
C．每当线框经过中性面时，感应电动势或感应电流的方向就改变一次
D．线框经过中性面时，各边切割磁感线的速度为零
CD
[例题2] [多选]交流发电机的示意图如图所示，线圈的AB边连在金属滑环K上，CD边连在金属滑环L上，两个电刷E、F分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。关于其工作原理，下列分析正确的是(　　)

A．当线圈平面转到中性面的瞬间，穿过线圈的磁通量最大
B．当线圈平面转到中性面的瞬间，线圈中的感应电流最大
C．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，穿过线圈的磁通量最小
D．当线圈平面转到跟中性面垂直的瞬间，线圈中的感应电流最小
AC
[例题3]　一个正方形线圈的匝数为10，边长为20 cm，线圈总电阻为1 Ω，线圈绕OO′轴以10π rad/s的角速度匀速转动，如图所示，匀强磁场的磁感应强度为0.5 T，则：(π取3．14)
(1)该线圈产生的电动势的峰值、电流的峰值分别是多少？
(2)写出感应电动势随时间变化的表达式。
(3)线圈从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？
[针对训练]
1．[多选]一矩形线圈的匝数为50，在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量随时间的变化规律如图所示。下列结论正确的是(　　)

A．在t＝0.1 s和t＝0.3 s时，电动势最大
B．在t＝0.2 s和t＝0.4 s时，电动势方向发生改变
C．电动势的最大值是157 V
D．在t＝0.4 s时，磁通量的变化率最大，为3．14 Wb/s
CD
2.[多选]一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动。线圈中的感应电动势e随时间t变化的规律如图所示，则下列说法正确的是(　　)

A．图中是从线圈平面与磁场方向平行时开始计时的
B．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零
C．t1和t3时刻穿过线圈的磁通量的变化率为零
D．感应电动势e的方向变化时，穿过线圈的磁通量最大
ACD
3.如图所示，线圈abcd的面积是0.05 m2，共100匝，线圈的总电阻r＝1 Ω，外接电阻R＝9 Ω，匀强磁场的磁感应强度B＝ T，线圈以角速度ω＝100π rad/s匀速转动。
(1)若线圈经过图示位置(线圈平面与磁感线垂直)时开始计时，写出线圈中感应电动势瞬时值的表达式。
(2)写出交变电流的瞬时值表达式。
致谢

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