我們平時(shí)所用的電到底是怎么樣的呢?

所謂的電壓220V是不是說明該電壓的值是不變的?而交流和直流之間的區(qū)別又有哪些?

這些問題我不知道有多少人可以回答得出來，但是如果你把這篇文章學(xué)完，那么我就知道，以上的那些問題你肯定知道答案。

我們的日常工作中所接觸的“電”，正確來說應(yīng)該叫正弦交流電，交流電并不等同于正弦交流電，它們之間的還是有一定的區(qū)別的。

我們這次所學(xué)習(xí)的內(nèi)容主要是“正弦交流電路的基本物理量”，現(xiàn)在就讓我來帶領(lǐng)大家跨過交流電路的門檻吧！

圖29-1

如圖29-1所示為兩周期變化的波形，它們的周期為T。

如果電流或電壓每經(jīng)過一定時(shí)間(T)就重復(fù)變化一次，且重復(fù)變化一次的時(shí)間內(nèi)平均值為零，則此種電流、電壓稱為周期性交流電流或電壓。如正弦波、方波、三角波等。

上圖29-1所示的正弦波和方波的電流，記作：i(t)=i(t T)。

這里的“每經(jīng)過一定時(shí)間(T)”就是周期，類似于日歷里的每一周，我們的時(shí)間就是在一星期接著一個(gè)星期、周而復(fù)始的時(shí)間中度過的。T的值可以是分鐘、秒、毫秒等等各種不同段的時(shí)間。

“平均值為零”指的沿著時(shí)間軸t的一個(gè)周期(T)內(nèi)，周期波的正半軸部分和負(fù)半軸部分的值剛好抵消，它們的和為零，如圖29-1中的兩個(gè)周期波，它們與時(shí)間軸對(duì)稱，在時(shí)間段T內(nèi)上下兩部分波形與時(shí)間軸圍成的面積相同，一正一負(fù)，恰好抵消，和為零。

如果把兩個(gè)電流波形向上或向下平移(正交軸固定不動(dòng))，它們此時(shí)與時(shí)間軸就會(huì)變得不對(duì)稱，時(shí)間段T內(nèi)平均值自然就不會(huì)為零，這時(shí)候它們就不是周期性交流電了。

如果把兩個(gè)電流波形向左或向右平移(正交軸固定不動(dòng))，此時(shí)它們依然是周期性交流電，這是為什么呢?接下來會(huì)講到。

在這里要提醒的一點(diǎn)是，周期波不一定是“重復(fù)變化一次的時(shí)間內(nèi)平均值為零”的，如脈沖波(脈沖電壓或脈沖電流)，它是周期性的脈沖，但在周期時(shí)間內(nèi)的平均值很多時(shí)候不是為零的，這種平均值不為零的周期波就不是交流電。

如果在電路中電動(dòng)勢(shì)的大小與方向均隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，由此產(chǎn)生的電流、電壓大小和方向也是正弦的，且一個(gè)周期內(nèi)其平均值為零，這樣的電路稱為正弦交流電路。而這些按正弦規(guī)律變化的電壓或電流，統(tǒng)稱為正弦量。

圖29-2

如圖29-2所示，圖(a)是一簡單的交流發(fā)電機(jī)的工作原理圖，線圈在兩磁極間作均速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)期間由于切割磁力線，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)線圈與外電路構(gòu)成閉合回路，線圈中會(huì)有感應(yīng)電流的流通。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形如圖(b)所示，當(dāng)線圈與磁力線平行時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有大值。這是因?yàn)?，雖然此時(shí)線圈與磁力線平行，但是線圈的速度方向與磁力線垂直，根據(jù)E =BlV sinθ，θ為90°，即E為大。

同理，線圈與磁力線垂直時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，大家可以嘗試自行分析其原因，在此我就不作解釋。

雖然正弦交流電是時(shí)刻在變化的，但是它們和直流電一樣，也要規(guī)定正方向，這里的正方向表示的是電壓或電流的瞬時(shí)方向。

圖29-3

當(dāng)電路中的電流、電壓等變量隨時(shí)間變化時(shí)，一般用小寫字母i、u等表示，而大寫字母I、U等則一般表示對(duì)于變量的恒定量。

如圖29-3所示的簡單交流電阻電路中，其電流波形如圖所示，假設(shè)規(guī)定電流正方向?yàn)橄蛴壹^所示，此時(shí)電壓正方向?yàn)橄蛳隆?/span>

電流隨時(shí)間而變化，當(dāng)電流大于零時(shí)，證明此時(shí)在電路中電流方向恰好為向右箭頭所指;而當(dāng)電流小于零時(shí)，則此時(shí)在電路中電流方向與向右箭頭所指的方向相反。

我們已經(jīng)知道正弦交流電路中電壓、電流等的波形為正弦波，但是它們的大小卻各不相同，對(duì)于波形均是正弦波的各種交流電量，我們?cè)撛趺磪^(qū)分它們呢?這就要看這些正弦波的特征量了。

圖29-4

如圖29-4為一正弦交流電流的波形，其瞬時(shí)值的表達(dá)式如圖所示，正弦波的特征量：幅值、角頻率與初相角是正弦量的三要素。

每個(gè)正弦交變量的值是由其特征量確定的，例如在三相電壓中，理想情況下，三相電壓對(duì)稱分布，每一相的幅值和角頻率都相等，它們之間不同的是初相角，三相電壓之間的相角相差120°。

幅值表示正弦波的大值，用對(duì)應(yīng)電量的大寫字母加下標(biāo)m表示。

如圖中的電流正弦波頂點(diǎn)(Im)，雖然在波形圖中電流有小負(fù)值(-Im)，但在實(shí)際中，該負(fù)值也只不過的表示電流的方向與規(guī)定正方向相反，其實(shí)際上依然是電流的大值，imax-imin=2Im就是該正弦電流的峰-峰值。

在工程應(yīng)用中常用有效值表示幅度。常用的交流電表指示的電壓、電流讀數(shù)，就是被測(cè)物理量的有效值。工頻單相交流電壓220V，也是指供電電壓的有效值。

有效值：將周期電流或電壓在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的平均效應(yīng)換算為等效的直流量，以衡量和比較周期電流或電壓的效應(yīng)，這一等效的直流量就稱為周期量的有效值，用相對(duì)應(yīng)的大寫字母表示。

例如交流電流i的有效值I定義如下：交流電流i通過電阻R在一個(gè)周期T內(nèi)產(chǎn)生的熱量與一直流電流I通過同一電阻在同一時(shí)間T內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則i的數(shù)值為I的有效值。

圖29-5

圖29-5所示的變換過程有點(diǎn)復(fù)雜，大家看不到也沒關(guān)系，只需記得結(jié)論即可，即正弦交流電的有效值與其大值之間有根號(hào)2的關(guān)系。即電壓、電流瞬時(shí)值、有效值與大值之間的關(guān)系下圖29-6所示。

圖29-6

正弦量i=Imsin(ωt φ)中隨時(shí)間變化的角度(ωt φ)稱為正弦量的相位(或稱為相角)。

ω稱為正弦量的角頻率，它是正弦量的相位隨時(shí)間變化的角速度,單位為rad/s(弧度/秒)。角頻率、周期與頻率之間的關(guān)系如下圖29-7所示。

圖29-7

周期T在上文中已提到過，相信大家也已經(jīng)了解。

頻率是周期的倒數(shù)，單位是赫茲(Hz)，簡稱赫，如我國電網(wǎng)的頻率(工頻)是50Hz，也就是說，其交流電量在每秒內(nèi)有50個(gè)周期，反過來，已知頻率是50Hz，我們就可以算的其周期是0.02s。在一些其他國家如美國、日本等國家的電網(wǎng)頻率是60Hz。

工程中常常以頻率區(qū)分電路，如音頻電路、高頻電路等。角頻率乘以周期等于2π，這是為了便于正弦交流電路的計(jì)算分析，把360°的角度變成了弧度2π。弧度的定義是弧長比上半徑，即為圓心角的弧度值，對(duì)于半徑為1的圓，其周長為2π，所以對(duì)應(yīng)的圓心角弧度值為2π，也就是一圈360度。

初相角是正弦量在時(shí)間t=0時(shí)的相位，稱為正弦量的初相角(或稱為初相位)，簡稱初相，單位是弧度或度，通常在主值范圍內(nèi)取值，即|φ|≤180°。

這里的時(shí)間t=0時(shí)刻是任意指定的，也就是說，初相角是可以任意指定的，但對(duì)于同一電路中系統(tǒng)中，許多相關(guān)的正弦量其計(jì)時(shí)零點(diǎn)要相同，即以一個(gè)共同的零時(shí)刻點(diǎn)確定各自的初相角。初相角給出了觀察正弦波的起點(diǎn)或參考點(diǎn)，常用于描述多個(gè)正弦量相互之間的關(guān)系。

當(dāng)正弦量采用sine函數(shù)表示時(shí)，初相角為正值或負(fù)值代表著正弦量的波形在零時(shí)刻時(shí)其值的正負(fù)，如下圖29-8中的電流i1的初相角大于零，即取t=0時(shí)，電流it=0大于零。另一種說法相對(duì)更為簡單，就是當(dāng)正弦量的初相角大于零時(shí)，相當(dāng)于把其波形左移;

反之，當(dāng)正弦量的初相角小于零時(shí)，相當(dāng)于把其波形右移。

圖29-8

上圖29-8所示的兩個(gè)正弦電流的波形中，它們有著相同的角頻率，但是初相角之間有著一個(gè)差值。圖中i1、i2之間的相角差顯然小于零。此時(shí)可以說電流i2超前電流i1，或者說電流i1滯后電流i2。

幾個(gè)正弦量之間的相位關(guān)系有三種，即同相位、相位領(lǐng)先(超前)和相位落后(滯后)。

如下圖29-10所示的電流i1與i2，同相位時(shí)兩者的起點(diǎn)重合，相角差為零;相角差大于零時(shí)，電流i1超前于電流i2;相角差小于零時(shí)，電流i1滯后于電流i2。

同時(shí)，電壓與電流的相位關(guān)系如圖29-10右邊所示。

圖29-10

可以證明，同頻的正弦量之間的代數(shù)和，其結(jié)果仍為同頻率的正弦量。

在這里就不展開分析。也就是因?yàn)榻穷l率的不變，所以在討論研究同頻率的正弦量時(shí)，可以不用考慮其角頻率，只需研究其幅值和初相角的變化。

這個(gè)結(jié)論在正弦交流電路的分析中是非常重要的，大家很有必要把它給記住。

可以說，研究正弦量是正研究弦交流電路的基礎(chǔ)，所以這次的學(xué)習(xí)內(nèi)容是大家深入了解交流電的基礎(chǔ)，建議大家無論如何都要掌握這部分的知識(shí)點(diǎn)喲。（技成培訓(xùn)原創(chuàng)，作者：楊思慧，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載，違者必究！）

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