直流电是指方向始终固定不变的电压或电流。能产生直流电的电源称为直流电源 ,常见的干电池、蓄电池和直流发电机等都是直流电源,直流电源常用图 1-17(a)所示的符号表示。 直流电的电流方向总是由电源正极输出,再通过电路流到负极 。在图 1-17(b)所示的直流电路中,电流从直流电源正极流出,经电阻R和灯泡流到负极结束。
直流电又分为稳定直流电和脉动直流电。
稳定直流电是指方向固定不变并且大小也不变的直流电。一个 稳定直流电的例子如图 1-18(a)所示,稳定直流电的电流 I 的大小始终保持恒定(始终为 6mA),在图中用直线表示;直流电的电流方向保持不变,始终是从电源正极流向负极,图中的直线始终在 X 轴上方,表示电流的方向始终不变。
图1-17 直流电源及应用电路
图1-18 直流电波形图
脉动直流电是指方向固定不变,但大小随时间变化的直流电 。脉动直流电如图 1-18(b)所示,从图中可以看出,脉动直流电的电流 I 的大小随时间作波动变化(如在 t 1 时刻电流为6mA,在 t 2 时刻电流变为 4mA),电流大小波动变化在图中用曲线表示;脉动直流电的方向始终不变(电流始终从电源正极流向负极),图中的曲线始终在 X 轴上方,表示电流的方向始终不变。
交流电是指方向和大小都随时间作周期性变化的电压或电流 。交流电类型很多,其中最常见的是正弦交流电,因此这里就以正弦交流电为例来介绍交流电。
正弦交流电的符号、电路和波形如图 1-19 所示。
图1-19 正弦交流电
下面以图 1-19(b)所示的交流电路来说明图 1-19(c)所示交流电的波形。
①在 0 ~ t 1 期间:交流电源的极性是上正下负,电流 I 的方向是:交流电源上正→电阻R→交流电源下负,并且电流 I 逐渐增大,电流逐渐增大在图(c)中用波形逐渐上升表示, t 1 时刻电流达到最大值。
②在 t 1 ~ t 2 期间:交流电源的极性仍是上正下负,电流 I 的方向仍是从交流电源上正→电阻R→交流电源下负,但电流 I 逐渐减小,电流逐渐减小在图(c)中用波形逐渐下降表示, t 2 时刻电流为 0。
③在 t 2 ~ t 3 期间:交流电源的极性变为上负下正,电流 I 的方向也发生改变,图(c)中的交流电波形由 X 轴上方转到下方表示电流方向发生改变,电流 I 的方向是:交流电源下正→电阻R→交流电源上负,电流反方向逐渐增大, t 3 时刻反方向的电流达到最大值。
④在 t 3 ~ t 4 期间:交流电源的极性为上负下正,电流仍是反方向,电流的方向是由交流电源下正→电阻R→交流电源上负,电流反方向逐渐减小, t 4 时刻电流减小到 0。
t 4 时刻以后,电流大小和方向变化与 0 ~ t 4 期间变化相同。这里要说明的是,上述交流电源的电压在方向变化的同时,大小也在变化,电压变化的规律与电流变化是一样的。
由此可以看出,交流电电压和电流的大小及方向都是随时间作周期性变化的。
周期和频率是交流电最常用的两个概念,下面以图 1-20 所示的交流电波形图来说明。
图1-20 交流电的周期、频率和瞬时值
(1)周期
从图 1-20 可以看出,交流电变化过程是不断重复的, 交流电重复变化一次所需的时间称为周期,周期用“ T ”表示,单位是秒(s) 。图 1-20 所示交流电的周期为 T =0.02s,说明该交流电每隔 0.02 秒就会重复变化一次。
(2)频率
交流电在每秒内重复变化的次数称为频率,频率用“ f ”表示,单位是赫兹(Hz) ,它是周期的倒数,即
f =1/ T
图 1-20 所示交流电的周期 T =0.02s,那么它的频率 f = 1/ T =1/0.02=50Hz。该交流电的频率 f =50Hz,说明在 1s内交流电能重复 0~ t 4 这个过程 50 次。交流电变化越快,变化一次所需时间越短,周期就越短,频率就越高。
(3)高频、中频和低频
根据频率的高低不同,交流信号分为高频信号、中频信号和低频信号。高频、中频和低频信号划分没有严格的规定,一般认为,频率在 3MHz以上的信号称为高频信号,频率在300kHz~ 3MHz范围内的信号称为中频信号,频率低于 300kHz的信号称为低频信号。
高频、中频和低频是一个相对概念,在不同的电子设备中,它们的范围是不同的。例如,在调频收音机(FM)中,88 ~ 108MHz称为高频,10.7MHz称为中频,20Hz ~ 20kHz称为低频;而在调幅收音机(AM)中,525 ~ 1605kHz称为高频,465kHz称为中频,20Hz ~20kHz称为低频。
(1)瞬时值
交流电的大小和方向是不断变化的, 交流电在某一时刻的值称为交流电的瞬时值 。以图1-20 所示的交流电为例,它在 t 1 时刻的瞬时值为 (约为 311V),该值为最大瞬时值,在 t 2 时刻的瞬时值为 0V,该值为最小瞬时值。
(2)有效值
交流电的大小和方向是不断变化的,这给电路计算和测量带来不便,为此引入有效值。下面以图 1-21 所示电路来说明有效值的含义。
图1-21 交流电有效值的说明图
图 1-21 中的两个电路中的电热丝完全一样,现分别给电热丝通交流电和直流电。如果两电路通电时间相同,并且电热丝发出热量也相同,对电热丝来说,这里的交流电和直流电是等效的,那么就将图 1-21(a)中的交流电电压值或电流值称为图 1-21(b)中的直流电有效电压值或有效电流值。
交流市电电压为 220V指的就是有效值,其含义就是虽然交流电压时刻变化,但它的效果与 220V直流电是一样的。没特别说明,交流电的大小通常是指有效值,测量仪表的测量值一般也是指有效值。
正弦交流电的有效值与最大瞬时值的关系是:最大瞬时值= ·有效值,如交流市电的有效电压值为 220V,它的最大瞬时电压值= V≈311V。