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第三章 交变电流
第1节 交变电流
新教材人教版 物理（高中选择性必修第二册）
课堂引入
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。
生活中能提供电的设备
1.通过实验,认识交变电流,了解交变电流的产生过程,理解交变电流和直流的概念。
2.能用公式和图像描述正弦交变电流。
3.知道交变电流的变化规律及表示方法,知道交变电流的瞬时值、峰值的物理含义。
学习目标
问题：这些供电设备所产生的电压波形具有什么样的特点？
一、交变电流
交流电：
电压（电流）方向随时间做周期性变化的电流叫做交流电，简称交流（AC）
直流电：
电压（电流）方向不随时间变化的电流叫做直流电，简称直流（DC）
大小
不变
变化
（恒定电流）
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生活中绝大部分用电都是交变电流，交流比直流经济可靠，使用方便。
③交流电压的大小可以通过变压器随意转换。
锯齿波扫描电压
矩形脉冲
尖脉冲
二、交变电流的产生
观察交变电流的方向
把两个发光颜色不同的发光二极管并联，注意使两者正、负极的方向不同，然后连接到教学用发电机的两端。转动手柄，两个磁极之间的线圈随着转动。观察发光二极管的发光情况。
现象：两个二极管会交替发光
说明：发电机产生的交流电电流方向在不断变化。
K
L
E
F
????
?
????
?
????
?
????
?
ABCD—线圈
K、L—圆环
E、 F—电刷
交流发电机示意图
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。
二、交变电流的产生
交变电流的产生过程分析
×
?
电流：B→A→D→C→B
×
?
I
电流：C→D→A→B→C
I
中性面
v∥B，没有边切割磁感线
B⊥S， Φ最大，E=0、I=0
A（B）、D（C）边垂直切割磁感应线
B∥S，Φ=0，E最大，I最大
中性面
电流方向具有周期性变化的特点
请判断出下列四个位置时电流方向？并总结这样的发电机在匀速转动过程中产生电流方向有什么特点？
总结线圈在特殊面具有的特点
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:
4.感应电动势:
5.感应电流:
3.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。
二、交变电流的产生
与中性面垂直的面（峰值面）
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:
Φ=0
E=BLv 最大
?Φ/?t 最大
I最大
三、交变电流的变化规律
思考计算1：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（从中性面开始计时），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？
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。
三、交变电流的变化规律
思考：磁通量随时间的变化图像？
Φ=Φm cos ωt=BS cos ωt
三、交变电流的变化规律
思考计算2：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
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：
思考与讨论：你认为感应电动势的峰值与线圈的形状和转轴的位置有没有关系？如图所示，如果三个不同形状面积相同的线圈产生的交变电流的感应电动势的峰值是否相同？
四、交变发电机
线圈（叫电枢）
→产生感应电动势
磁极
→产生磁场
2.发电机的构造
3.基本种类
旋转电枢式
→电枢动，磁极不动
旋转磁极式
→磁极动，电枢不动
说明: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.
缺点：电压高会火花放电、电枢无法做大
优点：高电压、高功率输出
1.工作原理：交流发电机的工作原理基于法拉第电磁感应定律.
电刷实物图
发电机示意图
机械能转化为电能
五、课堂小结
交变电流
交变电流
交变电流的变化规律
交变电流
直流
交变电流的产生过程分析
感应电动势的表达式
两个特殊位置

峰值表达式
交变电流的产生过程
电压、电流的表达式
正弦式交变电流的图像
交流发电机

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