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1.3 直流电与交流电

1.3.1 直流电

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,直流电源常用如图1-17(a)所示的图形符号表示。 直流电的电流方向总是由电源正极输出,通过电路流到负极的。 在如图1-17(b)所示的应用电路中,电流从直流电源正极流出,经电阻R和灯泡流到负极。

直流电又分为稳定直流电和脉动直流电。

1.稳定直流电

稳定直流电是指电流方向固定不变并且大小也不变的直流电。 稳定直流电的电流波形如图1-18(a)所示。稳定直流电的电流 I 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,图中的直线始终在横轴上方,表示电流的方向始终不变。

图1-17 直流电源的图形符号及应用电路

图1-18 直流电电流波形图

2.脉动直流电

脉动直流电是指电流方向固定不变、大小随时间变化的直流电。 脉动直流电的电流波形如图1-18(b)所示。从图中可以看出,脉动直流电的电流 I 随时间变化(如在 t 1 时刻,电流为6mA,在 t 2 时刻,电流变为4mA),电流的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),图中的曲线始终在横轴上方,表示电流的方向始终不变。

1.3.2 交流电

交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流。 交流电类型很多。最常见的是正弦交流电。这里以正弦交流电为例进行介绍。

1.正弦交流电

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

下面以如图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:交流电源上正→电阻R→交流电源下负,电流 I 逐渐增大,电流逐渐增大在图1-19(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,电流 I 逐渐减小,电流逐渐减小在图1-19(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1-19(c)中的交流电波形由横轴上方转到下方表示电流方向发生改变,电流 I 的方向: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。

2.周期和频率

周期和频率是交流电最常用的两个术语,下面以如图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,交流电的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一个周期,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0.02s就会重复变化一次。

(2)频率

交流电在1s内重复变化的次数称为频率,频率用 f 表示,单位是赫兹(Hz), 是周期的倒数,即

f =1/ T

图1-20所示交流电的周期 T =0.02s,频率 f =1/ T =(1/0.02)Hz=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,周期越短,频率越高。

(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。高频信号、中频信号和低频信号的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,频率范围是不同的。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;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。

3.瞬时值和有效值

(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在该时刻的瞬时值。 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,这给电路的计算和测量带来不便,为此引入有效值的概念。下面以如图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,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,并且电热丝发出的热量也相同,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(b)中直流电的电压值或电流值称为图1-21(a)中交流电的电压有效值或电流有效值。

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。无特别说明,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

例如,交流市电的电压有效值为220V,电压最大瞬时值= ≈311V。 sHNh6LB0XgAwo6OYYMtVttr8fccyfjXBCjKHQrV1jfOxJAmL2K0ShS8SOtnPUHix

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