首先,我们来看看什么是电流的方向。我们看图1:
图1的左上图是直流电路,右上图是直流电路的电压和电流。
我们看到,直流电压和直流电流随着时间变化它们不会发生改变。电流的方向在电池内部是负极指向正极,在外电路电流的方向则从电池正极指向电池负极。从图中看,正好是从上往下。
再看图1右上图的电压波形和电流波形,我们发现随着时间的推移,电压U和电流I不会发生任何改变。
现在,我们来看图1的左下图:我们看到图中的电源已经换成了交流电源。注意到标明电流方向的图符不见了。
我们看图1的右下图:现在电压u波形和电流i波形与直流电路电压、电流波形完全不同了。不同点在于:
第一:电压u的波形和电流i的波形按时间变化发生周期性变化。我们看到,在0毫秒时电压和电流为零值,5毫秒时电压和电流达到最大值,10毫秒时返回到零值。再往后,电压和电流就要转换方向了,在15毫毫秒时电压和电流达到反方向的最大值,在20毫秒时电压和电流为零值;25毫秒时电压和电流再次取正方向的最大值。
我们看图2:
图2的1图中,我们看到电源电压E的值不断地降低,从4一直降低到0,历时4秒。
注意:虽然直流电压的大小发生了变化,但直流电源的电流方向并未发生变化,我们看到电流依然从电池的负极流向正极,而外电路的电流方向依然是电池正极流向电池负极。
我们定义,此时的电流方向为正方向。
再看图2的2图,这里电池更换了方向,原先的负极变正极,而原先的正极变负极。注意看2图右侧的波形图,并且与图1右上图作比较,我们发现它们正好对称。
这说明,图2的2图电流方向发生了改变,电流变成了负方向。
现在我们再来比较图1右上图和图2下图的电流大小:我们看到这两个电流正好关于横坐标对称,一个取正值,一个取负值。不过,它们的大小并未发生变化,它们到横坐标的距离是一样的。也就是说,这两个电流的绝对值是一样的。
我们再来看看图2的1图波形,我们能很清晰地看到它出现了大小的变化。也就是说,曲线各点相对横坐标的距离发生了变化。
有了这些认识,我们就可以讨论交流电了。
第一:交流电的大小和方向会发生周期性变化
我们看图3:
有了以上的说明,我们很容易看出,交流电的波形的确存在大小变化和方向变化。并且,这些变化是周期性的。
何以如此?这与发电机发电有关。发动机的励磁磁通方向是固定的,发电机的转子绕组在切割磁力线时产生了感应电流,此感应电流就是交流电。并且,感应电流是以正弦波的形式出现的。
关于发电机的简单原理和描述,请题主参考相关说明。这方面的内容多得无以计数,很容易找到。
我们再看图3,我们发现,图3中的交流电电压和交流电电流是以20毫秒为周期发生变化,也即它的周期T=20ms。于是在1秒钟内,变化的次数是: ,也即交流电的频率f为50赫兹。
再看交流电压的最大值,我们用Um来表示。对于220V交流电压来说,Um=311V。所以,交流电压就在+311V与-311V之间发生周期性变化。
第二:交流电的有效值
交流电的有效值,是一个容易迷惑人之处。我在某所中学里听过学霸分析交流电,他说交流电就是把+220V和-220V的直流电源拼在一起构成的。如下:
这位中学学霸的回答当然是错的。
我们看图4:
图4的上图中,我们看到了直流电源Edc,还有负载电阻R。我们把R密封在一个保温箱内,然后通电。若所流过的电流是I,则在一定时间t内,保温箱内的热量为: 。
图4的下图中,我们看到了交流电源Eac,以及与直流系统完全一致的负载电阻R,还有完全相同的保温箱。类似地,我们把电阻R密封在保温箱内,然后通电,电流为i。若在相同的时间内,我们发现它的热量Qac与Qdc完全相同,也即: ,则我们定义:直流电流I是交流电流i的有效值。
由欧姆定律,我们知道电压等于电流乘以电阻,由此我们又可以推得交流电压的有效值。
至此,我们可以写出完整的交流电压、交流电流的表达式了。如下:
,交流电流表达式
,交流电压表达式
这里的 是角频率, 。
这两个式子中出现了 ,它们从何而来?我来简单说明一下:
我们把热量Q的表达式中去掉时间t,就是发热功率。于是交流电流的发热功率为:
因为 ,代入到上式中,得到:
注意到余弦项,即使波形的频率增加一倍,但余弦项的平均值是零。因此交流电源传递给负载的平均功率只需要考虑上式的第一项即可。也即:
由此得到: ,或者 ,交流电流有效值和交流电流最大值间的关系。
以及: ,或者 ,交流电压有效值和交流电压最大值间的关系。
有了交流电的有效值,我们在计算交流电时,一旦涉及到发热和功率计算时,就完全可以依照直流电流的计算方法来计算,十分方便。
第三:认识交流电线路与直流电线路的区别
我们看图5:
我们来计算直流电路中A点和B点的电压。
A点的电压为:
那么B点的电压为多少呢?
事实上,我们看到在电池负极有接地符号,就知道此点的电压为零,所以B点的电压为零。
直流电源负极的接地符号叫做参考地,它为全电路提供了零电压的参考点。
再看交流电路,我们已经知道,A点的电压有效值也是183.3V,但B点的电压又该是多少?
注意看交流电路的接地符号,与直流电路不同。此符号表示该接地点属于工作接地和保护接地,并且,它需要真正的接大地。
可以看出,交流电路的接地与直流电路的接地无论从概念还是实际做法,有了很大的区别。
工作接地:类似于直流电路的零电位参考点,不过这里的零电位是大地电位。
保护接地:用于保护人身安全,防止电击事故。
我们来仔细探讨一下交流电路的接地,以及零线和中性线的概念和意义。
1.交流电路存在接地系统
所谓接地系统,指的就是交流电源的工作接地,以及用电设备外壳的保护接地。
我们看图6:
在图6中,我们看到了电力变压器,以及它的低压侧绕组的中性线N。我们看到,中性线N在变压器外部直接接地,然后送往用电设备。接了地的中心线叫做PEN线,它就是大名鼎鼎的零线。
我们看到,相线和零线一同被引至用电设备,用电设备的外壳同时也接到零线上,这叫做保护接零。
这样做的目的何在?因为零线的电位接近地电位,所以用电设备的外壳连接了零线后,就能保持为地电位。
图6中,我们看到L1相带了两台用电设备,因此系统的三相是不平衡的。如果在图示处零线断裂,则断裂点后部的零线因为三相不平衡的原因,电压会上升,最高会升至220V相电压。
图6叫做TN-C接地系统。
由于TN-C接地系统的问题较多,目前使用很少了。
我们看到,交流电路与直流电路的本质不同:直流电路不存在接地系统,而交流电路必须存在接地系统。
图7是TN-S接地系统:
与TN-C不同,在TN-S下,变压器的中性线直接接地,然后分开为中性线N和地线PE,再加上相线一同引至用电设备。如此一来,即使N线断裂,用电设备的外壳依然保持为地电位,确保了人身安全。
在TN-S下,变压器中性线直接接地叫做系统接地,用电设备的外壳接PE叫做保护接地,两者缺一不可。
2.交流电路的线制
线制,指的就是“X相X制”,它也是交流电路区别于直流电路的特征之一。
在交流电路中,规定有电流流过的是“线”,否则就不能算“线”。因此,对于TN-C来说,它是三相四线制;对于TN-S来说,它也是三相四线制,而不是所谓的“三相五线制”。
三相五线制其实是不存在的,因为PE线在平时并没有电流流过。
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我发现,这个帖子再写下去,会越写越多。
例如交流电的短路特征、交流电的长线效应、交流电的电弧特性、交流电的电磁特性、交流开关电器与直流开关电器异同等等。
事实上,从交流电的这些运用知识中,我们能非常深刻地看到直流电与交流电的不同,而且能看到许多有趣的物理现象,以及最新的电气科技发展。
然而,一方面题主并没有这些要求,再者,这个帖子也无法容纳如此多的内容,帖子就此结束吧。