《交變電流的產(chǎn)生》講義

《交變電流的產(chǎn)生》講義交變電流的產(chǎn)生同學(xué)們好，咱們現(xiàn)在開始學(xué)習(xí)高中粵教版選修31的內(nèi)容啦，今天要講的是第一章電場、第三章電磁感應(yīng)與交變電流中的第三節(jié)交變電流的產(chǎn)生。一、交變電流是啥呢？咱先來講個(gè)有趣的事兒。我小時(shí)候啊，家里有個(gè)老電扇。那電扇轉(zhuǎn)起來的時(shí)候，有時(shí)候快有時(shí)候慢，而且我發(fā)現(xiàn)它轉(zhuǎn)的時(shí)候，那個(gè)燈啊，有時(shí)候會(huì)一閃一閃的。后來我才知道啊，這就跟交變電流有關(guān)系呢。交變電流啊，簡單來說就是大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流。這和咱們之前學(xué)的直流電可不一樣，直流電的方向是不變的。就好比一條河，直流電就像河水只朝著一個(gè)方向流，而交變電流就像河水一會(huì)兒朝這個(gè)方向流，一會(huì)兒又朝另一個(gè)方向流。1、正弦式交變電流這是一種特別常見的交變電流。它的電流隨時(shí)間變化的圖像就像波浪一樣，是正弦函數(shù)的形狀。那這個(gè)正弦式交變電流是怎么產(chǎn)生的呢？這就和一個(gè)很神奇的裝置有關(guān)啦。二、交變電流產(chǎn)生的原理1、矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)想象一下，有一個(gè)矩形的線圈，就像咱們平時(shí)見到的長方形的框子一樣。這個(gè)線圈放在一個(gè)勻強(qiáng)磁場里，這個(gè)磁場的強(qiáng)度到處都一樣。然后讓這個(gè)線圈勻速地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，就像一個(gè)小輪子一樣不停地轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)。這時(shí)候啊，線圈的兩邊就會(huì)切割磁感線。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，只要導(dǎo)體切割磁感線就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢呢，就會(huì)導(dǎo)致電流的產(chǎn)生。咱們具體來分析一下這個(gè)過程。當(dāng)線圈剛開始轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，比如說從平行于磁感線的位置開始轉(zhuǎn)。這時(shí)候，線圈的兩邊切割磁感線的速度是逐漸增加的，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也是逐漸增加的。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到垂直于磁感線的位置時(shí)，切割磁感線的速度達(dá)到最大，感應(yīng)電動(dòng)勢也就達(dá)到最大。然后繼續(xù)轉(zhuǎn)，切割磁感線的速度又慢慢變小，感應(yīng)電動(dòng)勢也變小，這樣就形成了一個(gè)周期性的變化。我再給你們舉個(gè)例子啊。就像咱們騎自行車，腳蹬子在不同的位置，咱們用力的大小是不一樣的。當(dāng)腳蹬子在最上面或者最下面的時(shí)候，就像線圈平行于磁感線的時(shí)候，這時(shí)候要想讓自行車動(dòng)起來，得使很大的勁兒，就像剛開始產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的時(shí)候。當(dāng)腳蹬子在水平位置的時(shí)候，就像線圈垂直于磁感線的時(shí)候，這時(shí)候用力比較輕松，但是速度最快，就像感應(yīng)電動(dòng)勢最大的時(shí)候。2、中性面的概念這里還有個(gè)很重要的概念叫中性面。這個(gè)中性面啊，就是線圈平面和磁感線垂直的這個(gè)平面。當(dāng)線圈處在中性面的時(shí)候，穿過線圈的磁通量最大，但是感應(yīng)電動(dòng)勢卻是最小，為零呢。這就有點(diǎn)奇怪了吧？其實(shí)就像一個(gè)水池子，當(dāng)水池子的水最滿的時(shí)候，水反而不流動(dòng)了一樣。三、交變電流的變化規(guī)律1、感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式咱們經(jīng)過推導(dǎo)啊，可以得到感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式。如果用e表示感應(yīng)電動(dòng)勢，N表示線圈的匝數(shù)，B表示磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S表示線圈的面積，ω表示線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，那么這個(gè)表達(dá)式就是e＝NBSωsinωt。這個(gè)式子可重要啦，就像一把鑰匙，能打開很多關(guān)于交變電流的問題的大門。咱們來解釋一下這個(gè)式子里面的東西。N就像一個(gè)倍數(shù)，線圈匝數(shù)越多，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢就越大。B就像磁場的力量，磁場越強(qiáng)，感應(yīng)電動(dòng)勢也越大。S呢，就像線圈這個(gè)框子的大小，框子越大，感應(yīng)電動(dòng)勢也越大。ω就像線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，轉(zhuǎn)得越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢變化得就越快。sinωt這個(gè)部分呢，就是描述這個(gè)周期性變化的函數(shù)。我給你們舉個(gè)例子啊。比如說咱們有兩個(gè)線圈，一個(gè)匝數(shù)是100，另一個(gè)匝數(shù)是50，其他條件都一樣。那么匝數(shù)是100的那個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢在相同時(shí)間內(nèi)肯定比匝數(shù)是50的那個(gè)要大。就像兩個(gè)人跑步，一個(gè)人腿長，跑一步的距離就大，在同樣的時(shí)間里跑的路程就遠(yuǎn)一樣。2、電流和電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式有了感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值表達(dá)式，那電流和電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式就好推導(dǎo)了。根據(jù)歐姆定律，電流i＝e／R（這里R是電路的電阻），所以i＝（NBSωsinωt)／R。電壓u＝e，所以u＝NBSωsinωt。四、交變電流的圖像1、正弦式交變電流的圖像特點(diǎn)咱們來畫一下正弦式交變電流的圖像。它的橫軸是時(shí)間t，縱軸是電流i或者電壓u或者感應(yīng)電動(dòng)勢e。這個(gè)圖像就像波浪一樣，有波峰和波谷。波峰就是最大值，波谷就是最小值。而且這個(gè)圖像是周期性重復(fù)的，就像咱們的四季一樣，春去秋來，年復(fù)一年。比如說咱們家里的交流電，它的頻率是50Hz，這就意味著每秒會(huì)有50個(gè)這樣的周期。那這個(gè)頻率是怎么來的呢？其實(shí)就是和線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的速度有關(guān)系。如果線圈轉(zhuǎn)得快，那么產(chǎn)生的交變電流的頻率就高；如果轉(zhuǎn)得慢，頻率就低。2、從圖像中獲取信息從這個(gè)交變電流的圖像中，我們可以得到很多有用的信息。比如說我們可以知道最大值是多少，最小值是多少，周期是多長，頻率是多少等等。這就像看地圖一樣，從地圖上我們能知道哪里是山，哪里是河，距離有多遠(yuǎn)。五、交變電流產(chǎn)生中的能量轉(zhuǎn)化1、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能當(dāng)我們讓線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，我們是給了線圈機(jī)械能的。這個(gè)機(jī)械能通過電磁感應(yīng)的過程就轉(zhuǎn)化成了電能。就像我們用手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電一樣，我們搖動(dòng)手柄的力氣就是機(jī)械能，最后發(fā)出來的電就是電能。我記得有一次我去參觀一個(gè)小水電站。那里有個(gè)很大的水車，水流推動(dòng)水車轉(zhuǎn)動(dòng)，水車又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，然后就產(chǎn)生了電。這個(gè)過程就是把水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了電能，和我們講的線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生交變電流的能量轉(zhuǎn)化是一樣的道理。2、電能的傳輸和利用產(chǎn)生了交變電流之后呢，這個(gè)電能就要傳輸?shù)礁鱾€(gè)地方去使用。在傳輸?shù)倪^程中，我們會(huì)用到變壓器來改變電壓。這是為什么呢？因?yàn)楦鶕?jù)P＝UI（這里P是功率，U是電壓，I是電流），在傳輸功率一定的情況下，電壓越高，電流就越小。電流小了，在傳輸線路上的損耗就小。比如說我們從發(fā)電廠把電送到很遠(yuǎn)的地方，如果直接用低電壓傳輸，那么電流就會(huì)很大，在傳輸線路上就會(huì)有很多電能變成熱量散失掉。就像我們用很細(xì)的水管送水，如果水的流量很大，那么在水管壁上就會(huì)有很多水因?yàn)槟Σ炼鴵p失掉。但是如果我們把電壓升高，電流變小，就像用粗一點(diǎn)的水管送水，損失就會(huì)小很多。六、這節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn)（1）交變電流產(chǎn)生的原理，特別是矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生交變電流的過程，這是理解整個(gè)交變電流知識(shí)的基礎(chǔ)。（2）交變電流的變化規(guī)律，包括感應(yīng)電動(dòng)勢、電流和電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式，以及從這些表達(dá)式中能獲取的信息。（3）交變電流的圖像特點(diǎn)，從圖像中能讀懂交變電流的各種參數(shù)。2、難點(diǎn)（1）對中性面概念的理解。為什么在磁通量最大的時(shí)候感應(yīng)電動(dòng)勢為零，這和我們平常的直覺不太一樣，需要同學(xué)們好