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3.1交变电流
第三章 交变电流
人教版2019版选择性 必修第二册
思考：生活中能提供电的设备有哪些？
观察学生电源不同的电压输出
用电压传感器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？
直流
交流
大小方向周期性变化
方向不变
一、交变电流和直流
1.直流电流(DC)：方向不随时间变化的电流称为直流电流，大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定直流。例如：干电池供电的电路。
2.交变电流(AC)：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。例如：家用用电。
注意：
①交变电流经过处理，能转换成直流，例如手机充电头充电；
直流经过逆变器处理也能转换成交流。
②交流比直流经济可靠，使用方便，生活中绝大部分用电都是交变电流。
③交流电压的大小可以通过变压器随意转换。
(多选)下列图像描述的电流属于交变电流的是
例1
√
√
二、交变电流的产生
二、交变电流的产生
教学用发电机产生的电流，大小和方向都在不断地变化，是一种交变电流。图3.1-3 是交流发电机的示意图。装置中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场，为了便于观察，图中只画出了其中的一匝线圈。线圈的AB 边连在金属滑环K上，CD边连在滑环 L上；导体做的两个电刷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。
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
二、交变电流的产生
甲
A(B)
D(C)
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
二、交变电流的产生
A
B
C
D
D(C)
A(B)
B
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，E=0
B⊥S， Φ最大
丙
二、交变电流的产生
A
B
C
D
D(C)
A(B)
B
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
二、交变电流的产生
丁
此时线圈具有的特点
1.线圈平面与磁场垂直(B⊥S)，速度方向与磁场方向平行(B//v)
2.磁通量:
3.感应电动势:
5.感应电流:
4.磁通量的变化率:
v
v
Φ=BS 最大
E=0
Φ/ t= 0
I=0
中性面
线圈经过中性面时，电流将改变方向，线圈转动一周，两次经过中性面，电流方向改变两次．
将立体图转化为平面正视图
此时线圈具有的特点
1.线圈平面与磁场平行(B//S)，速度方向与磁场方向垂直(B⊥v)
2.磁通量:
3.感应电动势:
5.感应电流:
4.磁通量的变化率:
v
v
Φ=0
E=BLv 最大
Φ/ t 最大
I最大
我们称为与中性面垂直的面（峰值面）
矩形线圈AB、CD宽L1，AD、BC长L2 ，磁感应强度是B，设线圈平面从中性面开始转动，角速度是ω．经过时间t，求此时的感应电动势.
B
v
A(B)
D(C)
t=0
θ
v11
v⊥
中性面
θ
线圈与中性面的夹角是多少？
AB边的速度多大？
AB边切割磁感线的有效速度多大？
AB边中的感应电动势多大？
整个线圈中的感应电动势多大？
⑥ 若为N匝线圈，则感应电动势多大？
以线圈经过中性面开始计时（AB和CD边切割磁感线 ），
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
交变电流的变化规律:
匝数
面积
Em = NBSω
★★★若从中性面开始计时，则：
t 时刻瞬时值
峰值（最大值）
从瞬时值可以看出：
★矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，所产生的交变电流按照正弦函数的规律变化，这种交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流。
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
负载两端电压变化规律：
流过负载的电流变化规律：
3、交变电流的变化规律
e=Emsinωt
感应电动势：
（Em为峰值，Em=NBSω）
路端电压：
电路中的电流：
u=Umsinωt
i=Imsinωt
4、交流发电机
1、交变电流
①交流电：
大小和方向都随时间做周期性变化
②直流电：
2、交变电流的产生
①线圈旋转过程中只有AB和CD边在做切割磁感线的运动，产生E感
②线圈每转动一周，两次经过中性面，交流电的方向改变两次。
③中性面：与磁场垂直的平面
特点：磁通量最大，E感=0，I感=0。
④与中性面垂直的平面：磁通量为0，E感最大，I感最大。
课堂小结
例2： (2022·甘肃临洮县文峰中学高二检测)一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图甲所示的匀强磁场中.通过线圈的磁通量Ф随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是
A.t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大
B.t2、t4时刻线圈中感应电流方向改变
C.t2、t4时刻线圈中磁通量最大
D.t1、t3时刻线圈中感应电动势最小
√
例3：在水平向右的匀强磁场中，一线框绕垂直于磁感线的轴匀速转动，线框通过电刷、圆环、导线等与定值电阻组成闭合回路.t1、t2时刻线框分别转到如图甲、乙所示的位置，图甲中线框与磁感线平行，图乙中线框与磁感线垂直，下列说法正确的是（ ）
A.t1时刻穿过线框的磁通量最大
B.t1时刻电阻中的电流最大，方向从右向左
C.t2时刻穿过线框的磁通量变化最快
D.t2时刻电阻中的电流最大，方向从右向左
√
五、交流发电机
发电厂里的交流发电机的构造比我们分析的复杂得多，但是基本组成部分也是两部分，即产生感应电动势的线圈（通常叫作电枢）和产生磁场的磁体。
1.旋转电枢式发电机：电枢转动，磁极不动的发电机，叫作旋转电枢式发电机。
2.旋转磁极式发电机：如果磁极转动，电枢不动，这种发电机叫作旋转磁极式发电机。
3.转子和定子：不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。
e
O
T/4
2T/4
3T/4
T
π/2
π
3π/2
2π
t
Em
─Em
a
b
c
d
a
b
c
d
a
b
c
d
K
L
a
b
c
d
a
b
c
d
K
L
K
L
K
L
K
L
“五点”作图法
图像特殊点对应线圈的位置
Em= nBSω
e = Emsinωt
求解交变电流的瞬时值答题步骤
中性面开始计时：
中性面的垂面开始计时：
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Em=NBSW
(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。）
　 规律 物理量　 从中性面开始计时 图象
磁通量 Φ＝Φmcos ωt＝BScos ωt
电动势 e＝Emsin ωt＝NBSω sin ωt
电压 u＝Umsin ωt＝ sin ωt
电流 i＝Imsin ωt＝ sin ωt
三、正弦式交变电流的变化规律
如图所示，单匝矩形线圈绕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：
(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？
(3)若线圈有N匝，则整个线圈的感应电动势为多大？
（2）e总＝eab＋ecd＝BSωsin ωt.
（3）e＝NBSωsin ωt.
如图所示线圈匀速转动或匀速直线运动，能产生交变电流的是
例2
√

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