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(共39张PPT)
第三章 交变电流
交变电流
实验探究
01
交变电流和直流电的区别
02
交流电的变化规律
03
探究能力：通过实验观察交变电流的方向.
理解能力：1.会分析交变电流的产生过程，会推导交变电流电动势的
表达式.
2.知道什么是正弦式交变电流，知道正弦式交变电流的瞬
时值表达式.
应用能力：了解交流发电机的构造及工作原理.
交变电流
探究
实验：直流电与交流电的区别
01
一、交变电流
1.交变电流：大小和方向随时间做_______变化的电流叫作交变电流，简称_____.
2.直流：_____不随时间变化的电流称为直流.
二、交变电流的产生
交流发电机的线圈在磁场中转动时，转轴与磁场方向_____，用_____定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向.
KEQIANRESHEN
>>课前热身 夯实基础
周期性
交流
方向
垂直
右手
三、交变电流的变化规律
1.中性面
(1)中性面：与磁感线_____的平面.
(2)当线圈平面位于中性面时，线圈中的磁通量____，线圈中的电流____.
2.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝ ，Em叫作电动势的_____，Em＝______.
3.正弦式交变电流：按_____规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称___________.
4.正弦式交变电流和电压
电流表达式i＝________，电压表达式u＝_________.其中Im、Um分别是电流和电压的________，也叫_____.
垂直
最大
为零
峰值
NωBS
正弦
正弦式电流
Imsin ωt
Umsin ωt
最大值
峰值
Emsin ωt
四、交流发电机
1.主要构造：_____和_____.
2.分类
(1)旋转电枢式发电机：_____转动，_____不动.
(2)旋转磁极式发电机：_____转动，_____不动.
电枢
磁体
电枢
磁极
磁极
电枢
HEXINJIEYI
>> 核心解疑 夯实基础
02
一、交变电流与直流
1.交变电流
大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流，简称交流.
2.常见的交变电流的波形图
实际应用中，交变电流有着不同的变化规律，常见的有以下几种，如图1所示.
图1
3.直流
方向不随时间变化的电流叫作直流，大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流.
假定线圈绕OO′轴沿逆时针方向匀速转动，如图2所示，则：
图2
(1)线圈转动一周的过程中，线圈中的电流方向如何变化？
转动过程 电流方向
甲→乙 B→A→D→C
乙→丙 B→A→D→C
丙→丁 A→B→C→D
丁→甲 A→B→C→D
(2)线圈转动过程中，当产生的感应电流有最大值和最小值时线圈分别在什么位置？
答案　线圈转到乙或丁位置时线圈中的感应电流最大.线圈转到甲或丙位置时线圈中感应电流最小，为零，此时线圈所处的平面称为中性面.
1.中性面位置(S⊥B，如图2中的甲、丙)
线圈平面与磁场垂直的位置，此时Φ最大， 为0，e为0，i为0.
线圈经过中性面时，电流方向发生改变，线圈转一圈电流方向改变两次.
2.垂直中性面位置(S∥B，如图2中的乙、丁)
此时Φ为0， 最大，e最大，i最大.
两个特殊位置
交变电流
三、正弦式交变电流的变化规律
如图5所示，线圈平面绕bc边的中点从中性面开始转动，角速度为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边长为L1，bc边长为L2，线圈面积S＝L1L2，磁感应强度为B，则：
图5
答案　eab＝BL1vsin ωt＝BL1sin ωt
(1)ab边产生的感应电动势为多大？
(2)整个线圈中的感应电动势为多大？
答案　整个线圈中的感应电动势由ab和cd两边产生的感应电动势组成，且eab＝ecd，所以e总＝eab＋ecd＝BSωsin ωt.
(3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？
答案　若线圈有N匝，则相当于N个完全相同的电源串联，所以e＝NBSωsin ωt.
1.正弦式交变电流的瞬时值表达式
(1)从中性面位置开始计时
e＝Emsin ωt，i＝Imsin ωt，u＝Umsin ωt
(2)从与中性面垂直的位置开始计时
e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt.
2.正弦式交变电流的峰值
交变电流
说明　电动势峰值Em＝NωBS由线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω和线圈面积S决定，与线圈的形状无关，与转轴的位置无关.
如图6所示的几种情况中，如果N、B、ω、S均相同，则感应电动势的峰值均相同.
图6
DIANLIJIEXI
>>典例解析 足本溯源
03
例1　如图所示，属于交流电的是
√
解析　电流大小、方向随时间做周期性变化是交变电流最重要的特征.
A、B、D三项所示的电流大小随时间做周期性变化，但其方向不变，不是交变电流，它们是直流电，故A、B、D错误；
C选项中电流符合交变电流的特征，故C正确.
例2　如图所示，矩形线框绕垂直于匀强磁场且在线框平面内的轴匀速转动，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，线框中感应电动势最大
B.当穿过线框的磁通量为0时，线框中的感应电动势
也为0
C.当穿过线框的磁通量为0时，线框中的磁通量变化
率最大
D.线框经过如图位置时，电流方向将发生改变
√
【答案】D
【解析】线框在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，产生交流电；线框位于中性面时，磁通量最大，各边不切割磁感线，感应电动势为零，A错误；
当线框平面与中性面垂直时，线框平面与磁感线平行，此时磁通量最小，为零，感应电动势最大，线框中的磁通量变化率最大，B错误，C正确；
当线框位于中性面时，即线框和磁感线垂直时，电流方向将发生改变，D错误.
例3、如图7所示，匀强磁场的磁感应强度B＝　 T，边长L＝10 cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r＝1 Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，角速度ω＝2π rad/s，外电路电阻R＝4 Ω.求：
(1)转动过程中线圈中感应电动势的最大值.
(2)从图示位置(线圈平面与磁感线平行)开始计时，
感应电动势的瞬时值表达式.
(3)由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值.
(4)线圈从开始计时经 s时线圈中的感应电流的瞬时值.
(5)外电路R两端电压的瞬时值表达式.
例4、　一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图9甲所示，则下列说法中正确的是
A.t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B.t＝0.01 s时刻，Φ的变化率达到最大
C.t＝0.02 s时刻，电动势的瞬时值达到最大
D.该线圈产生的相应感应电动势的图像如图乙所示
【答案】B
【解析】　由题图甲知，当t＝0时，Φ最大，说明线圈平面与中性面重合，故选项A错误；
当t＝0.02 s时，Φ最大，此时电动势的瞬时值为零，故选项C错误；
由以上分析可知，选项D错误.
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04
（2022年浙江卷）如图所示，甲图是一种手摇发电机及用细短铁丝显示的磁场分布情况，摇动手柄可使对称固定在转轴上的矩形线圈转动；乙图是另一种手摇发电机及磁场分布情况，皮带轮带动固定在转轴两侧的两个线圈转动。下列说法正确的是（　　）
A．甲图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场
B．乙图中线圈转动区域磁场可视为匀强磁场
C．甲图中线圈转动时产生的电流是正弦交流电
D．乙图线圈匀速转动时产生的电流是正弦交流电
【答案】A
【解析】A．甲图中细短铁丝显示的磁场分布均匀，则线圈转动区域磁场可视为匀强磁场，故A正确；
B．乙图中细短铁丝显示的磁场分布不均匀，则线圈转动区域磁场不能看成匀强磁场，故B错误；
C．根据发电机原理可知甲图中线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的转轴匀速转动时才能产生正弦交流电，故C错误；
D．乙图中是非匀强磁场，则线圈匀速转动时不能产生正弦交流电，故D错误；
故选A。
SUITANGYANLIAN
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05
1.(交变电流的产生)如图所示，各图中面积均为S的单匝线圈绕其对称轴或中心轴在磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω匀速转动，从图示时刻开始计时，能产生正弦式交变电动势e＝BSωsin ωt的是
√
解析　由题图可知，只有A、C两图线圈转动时穿过线圈的磁通量发生变化，产生交变电流，但C图产生的感应电动势按余弦规律变化，即e＝BSωcos ωt，A图产生的感应电动势按正弦规律变化，即e＝BSωsin ωt；B、D两图线圈转动时均没有发生磁通量变化，不能产生感应电动势.选项A正确，B、C、D错误.
2.(交变电流的图像)一矩形线圈，在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴匀速转动，线圈中的感应电动势随时间t的变化规律如图10所示，下列说法正确的是
A.线圈每转动一周，感应电流的方向改变两次
B.t2时刻穿过线圈的磁通量变化率为零
C.t＝0时刻，线圈处于中性面位置
D.t1和t3时刻穿过线圈的磁通量为零
√
图10
解析　线圈每转动一周，感应电流方向改变两次，故A正确；
由题图可知，t2时刻线圈的感应电动势最大，故磁通量的变化率也最大，通过线圈的磁通量为零，故B错误；
由题图可知，t＝0时刻线圈的感应电动势最大，故磁通量的变化率也最大，通过线圈的磁通量为零，不是处于中性面位置，故C错误；
由题图可知，t1和t3时刻线圈的感应电动势为零，则磁通量的变化率也为零，所以通过线圈的磁通量最大，故D错误.
3.(交变电流的图像)如图11所示，一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中，并绕过ab、cd中点的轴OO′以角速度ω逆时针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时为计时起点，并规定当电流自a流向b时电流方向为正，则下列四幅图像中可能正确的是
图11
√
解析　以线圈平面与磁场夹角θ＝45°时为计时起点，由楞次定律可判断，初始时刻电流方向由b到a，为负值，且线圈远离中性面，Φ减小，电流增大，故选项C正确.
4.(交变电流的变化规律)有一匝数为10匝的正方形线圈，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12所示，垂直于线圈平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5 T.(线圈转动从中性面开始计时)
图12
(1)求该线圈产生的交变电流的电动势最大值、电流最大值分别为多少？
答案　6.28 V　6.28 A　
(2)线圈从图示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值是多大？
答案　5.44 V
解析　线圈从题图所示位置转过60°时，感应电动势的瞬时值E＝Emsin 60°≈5.44 V.
(3)写出感应电动势随时间变化的表达式.
答案　e＝6.28sin 10πt (V)
解析　由线圈转动是从中性面开始计时的，所以感应电动势瞬时值表达式为e＝Emsin ωt＝6.28sin 10πt (V).
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