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3.2交变电流的产生
什么是交变电流？
方向随时间变化的电流。
交变电流是如何产生的呢？
根据法拉第电磁感应定律，只要通过闭合导体的磁通量发生变化，就可以产生感应电动势和感应电流。
让闭合导体与磁极间做相对运动是最简单的方式。
发电机就是利用这种方式制成的
机械能转化为电能
1、交流发电机
磁极
磁极
电枢（线圈）
发电机根据旋转主体不同可分为：
1、旋转电枢式发电机
2、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
有的使用永久磁铁
有的使用电磁铁
线圈端头的滑环
电刷
用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）
用来产生磁场的磁极
用发电机产生交变电流
如图3-6，将发电机的输出端通过滑动变阻器与电流计的两个接线柱连接。转动手柄，让线圈持续在磁极中转动。观察电流计指针的偏转情况。
线圈在磁场中转动时，电流计指针来回偏转。
线圈在磁场中转动时，感应电流的大小和方向都随时间做周期性变化，线圈每转动一周，电流方向改变两次。产生的电流是交变电流。
能产生大小和方向随时间做周期性变化电流的发电机，称为交流发电机。
2、正弦式交变电流的产生原理
交流发电机是如何产生大小和方向都随时间做周期性变化的电流的？
物理学中，把这个位置称为中性面。
没有边切割磁感应线
B⊥S， Φ最大，E=0 , I=0
特点:
感应电流方向：d → c → b → a
ab、dc边垂直切割磁感应线
特点:
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
没有边切割磁感应线
特点:
B⊥S， Φ 最大，E=0 , I=0 （中性面）
感应电流方向：a → b → c → d
特点:
ab、dc边垂直切割磁感应线
B//S，Φ=0，E 最大，I 最大
当线圈继续转过 90°时，就回到图 （a）所示的位置，交变电流完成了一次周期性变化。接下来，线圈将重复上述转动过程，线圈中的电流也将重复上述变化过程。 在线圈的转动过程中，感应电动势和感应电流的大小和方向随时间呈周期性变化。
中性面：线框平面与磁感线垂直的位置。
线圈处于中性面
特点
线圈垂直中性面
每次经过中性面电流方向发生改变，线圈转一周，两次经过中性面，电流的方向改变两次。
3、正弦式交变电流的变化规律
感应电动势和感应电流随时间的变化有何规律？
设矩形线圈的ab边长为l，ad边为l’，在匀强磁场B 中绕垂直于磁场的对称轴以角速度ω匀速转动，从中性面开始计时，
ab边的线速度
v1
v2
速度方向与磁感应强度的夹角也为θ，速度v分解为：v1 ⊥ B, v2 // B
cd边也会产生和ab边大小相等的感应电动势，且ab边与cd边的电动势是同向串联的，所以整个线圈产生的感应电动势为：
v1
v2
若线圈有n匝，相当于n个完全相同的电源串联
只含有电阻的交流电路中，
设回路中外电阻为R；r为线圈电阻
感应电流瞬时值和导体两端电压瞬时值Y也呈正弦规律变化。
交流电的图像
在匀强磁场中有一矩形线圈，绕线圈平面内垂直于磁感线的轴匀速转动。线圈中产生的感应电动势随时间变化的图像如图3-9所示，试求出该感应电动势的最大值、有效值、周期和频率，写出该感应电动势随时间变化的关系式。
电动势的最大值：
Em=10 V
有效值：
周期：
T=0.02 s
频率：
角速度：
rad/s
瞬时值表达式：
解：
V
在上例中，如果以t=0.5×10-2 s为计时起点，其他条件不变。写出感应电动势随时间变化的关系式。
正弦
余弦
条件
经中性面时开始计时
垂直中性面时开始计时
电动势
e=Emsinωt
e=Emcosωt
电流
i=Imsinωt
u=Umsinωt
电压
i=Imcosωt
u=Umcosωt
交变电流的变化规律
如果我们从线圈平面转到与中性面成某一夹角φ0的位置开始计时，那么经过时间t之后，线圈平面跟中性面之间的夹角就是ωt+ φ0.(图3-10),这时交变电动势瞬时值为e=Emsin(ωt+ φ0),它的大小和方向都随时间不断变化。在Em一定时，瞬时值不完全由时间t决定，而是由ωt+ φ0决定，ωt+ φ0称为交变电流的相位或相。t=0时的相φ0称为初相。相位不仅可反映交变电流任何时刻的状态，还可用来比较不同交变电流的变化步调。
交变电流的相位
起始位置
t时刻位置
中性面
初相
相位
图3-11表示两个频率相同但初相不同的交变电流， φ1> φ2由图可看出，这两个交变电流的变化步调不一致，i1比i2先到达正的最大值、零值或负的最大值，这时我们说i1比i2超前Δφ= φ1- φ2,或者说i2比i1滞后Δφ
CD
C
C
4、如图所示，匀强磁场的磁感应强度B=0.5T，边长L=10cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r=1Ω，线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO’以ω=2π rad/s匀速转动，外电路电阻R=4Ω，求
（1）转动过程中感应电动势最大值;
（2）由图示位置线圈平面与磁感线平行转过60°角时的瞬时感应电动势;
（3）由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势 ;
（4）交变电压的示数;
（5）线圈转动一周外力所做的功;
（6）1/6周期内通过R的电荷量.
谢谢！

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