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事實揭露 揭密真相
於 2019年11月23日 (六) 18:23 由 安然對話 | 貢獻 所做的修訂
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交流電

交流電簡稱為AC。交流電也稱「交變電流」,簡稱「交流」。一般指大小和方向隨時間作周期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦電流。但實際上還有應用其他的波形,例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。[1]

當發現了電磁感應後,產生交流電流的方法則被發現。早期的成品由尼古拉·特斯拉、邁克爾·法拉第與波利特·皮克西等人開發出來。其中,波利特·皮克西在1832年基於邁克爾·法拉第的原理製造了第一台交流電機。

基本信息

中文名:交流電

外文名:Alternating Current

產生原理 :電磁感應原理

工頻 : 50Hz

大小表示: 有效值

發展歷史

當發現了電磁感應後,產生交流電流的方法就被知曉。早期的成品由英國人麥可·法拉第(Michael Faraday)與法國人波利特·皮克西(Hippolyte Pixii)等人開發出來。

1882年,英國電工詹姆斯·戈登建造了大型雙相交流發電機。開爾文勳爵與塞巴斯蒂安·費蘭蒂(Sebastian Ziani de Ferranti)開發早期交流發電機,頻率介於100赫茲至300赫茲之間。

1891年,尼古拉·特斯拉取得了交流發電機的專利。[2]

1891年後,多相交流發電機被用來供應電流,此後的交流發電機的交流電流頻率通常設計在16赫茲至100赫茲間,搭配弧光燈、白熾燈或電動機使用。

根據電磁感應定律,當導體周圍的磁場發生變化,感應電流在導體中產生。通常情況下,旋轉磁體稱為轉子,導體繞在鐵芯上的線圈內的固定組,稱為定子,當其跨越磁場時,便產生電流。產生交流電的基本機械稱為交流發電機。

產生原理

交流電是根據電磁感應原理產生的,當閉合線圈在勻強磁場中繞垂直於磁場的軸勻速轉動時,線圈裡就產生大小和方向作周期性改變的正弦交流電。

交流電(alternating[ˈɔltərˌneɪt] current[ˈkɚrənt, ˈkʌr-]),簡稱為AC。交流電也稱「交變電流」,簡稱「交流」。一般指大小和方向隨時間作周期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦電流。

將一個可以繞固定轉動軸轉動的單匝線圈abcd放置在勻強磁場中,為了避免在線圈轉動過程中,兩根引出的導線扭絞在一起,把線圈兩根引線分別接到與線圈一起轉動的兩個銅環上,銅環通過電刷與外電路連接。當線圈abcd在外力作用下,在勻強磁場中以角速度勻速轉動時,線圈的ab邊和cd邊作切割磁感線運動,線圈中產生感應電動勢。如果外電路是閉合的,閉合迴路中將產生感應電流。ad和bc邊的運動不切割磁感線,則不產生感應電流。

發電機產生的電動勢按正弦規律變化,可以向外電路輸送正弦交流電。應當指出,實際的發電機構造比較複雜,線圈匝數很多,而且嵌在硅鋼片製成的鐵心上,叫做電樞;磁極是由電磁鐵構成的。一般多採用旋轉磁極式,即電樞不動,磁極轉動。[3]

正弦交流電的表示方法

大小與方向均隨時間按正弦規律做周期性變化的電流、電壓、電動勢叫做正弦交流電流、電壓、電動勢,在某一時刻t的瞬時值可用三角函數式(解析式)來表示

i(t)=Imsin(ωt+ji0)

u(t)=Umsin(ωt+ju0)

e(t)=Emsin(ωt+je0)

式中,Im、Um、Em分別叫做交流電流、電壓、電動勢的振幅(也叫做峰值或最大值),電流的單位為安培(A),電壓和電動勢的單位為伏特(V);ω叫做交流電的角頻率,單位為弧度/秒(rad/s),它表徵正弦交流電流每秒內變化的電角度;ji0、ju0、je0分別叫做電流、電壓、電動勢的初相位或初相,單位為弧度rad或度(0)

正弦交流電的三要素: 最大值、 角頻率、 初相位(初相)

主要參數

1、瞬時值:交流電在某一個瞬間的數值稱為瞬時值。

瞬時值一般用小寫英文字母e、u、i表示,可以用e= Vm*sinwt來求得。Vm是由線圈的形狀或磁鐵的強弱來決定的。

2、最大值:瞬時值最大的時候叫做最大值。

最大值一般用大寫英文字母加右下標 Em、Um、Im來表示。

3、有效值: 在交流電變化的一個周期內,交流電流在電阻R上產生的熱量相當於多大數值的直流電流在該電阻上所產生的熱量,此直流電流的數值就是該交流電流的有效值。[4]

通常,交流電錶都是按有效值來刻度的。一般不作特別說明時,交流電的大小均是指有效值。例如市電220伏特,就是指其有效值為220伏特。

4、平均值:用交流電的半個周期來計算。一般用大寫英文字母E、 U、 I表示。

5、周期(Cycle):正弦交流電循環變化一周所需要的時間叫做周期;單位是秒(s) [5]

6、頻率(Frequency):正弦交流電在一秒鐘內循環變化的周數叫做頻率;單位是赫茲(Hz)目前,我國生活工作用電的頻率為50Hz。

應用

交流電開始得到廣泛應用還是在19世紀80年代以後,那時相繼發明了變壓器、三相制、旋轉磁場和異步電動機;交流電路理論也隨着這些應用的需要而逐步建立,例如用相量表示正弦量的方法就是1893年C.P.施泰因梅茨提出的。1907年三極真空管的發明,為產生更高頻率的交流電及其在無線電方面的應用提供了條件。

目前,在動力方面,絕大部分電力網都是交流的,因為交流電可以方便地變換電壓;交流電機在結構上也比直流電機簡單;在需要直流的地方還可以很方便地採用電子整流裝置。中國1980年在東北建立的超高壓輸變電線路就是用的50萬伏交流電。

在信息傳輸方面也時常用到交流電,例如載波通信的載波電流就是交流電。 [6]

交流電被廣泛運用於電力的傳輸,因為在以往的技術條件下交流輸電比直流輸電更有效率。傳輸的電流在導線上的耗散功率可用焦耳定律(P =I ²R)求得,顯然要降低能量損耗需要降低傳輸的電流或電線的電阻。由於成本和技術所限,很難降低目前使用的輸電線路(如銅線)的電阻,所以降低傳輸的電流是唯一而且有效的方法。根據P=IU(實際上有功功率 ),提高電網的電壓即可降低導線中的電流,以達到節約能源的目的。

而交流電升降壓容易的特點正好適合實現高壓輸電。使用結構簡單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千至幾十萬伏特,從而使電線上的電力損失極少。在城市內一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬至幾千伏以保證安全,在進戶之前再次降低至市電電壓或者適用的電壓供用電器使用。

按相位分類

目前各國使用的交流電相位主要為單相及三相。

1、三相交流電: 電動勢、電壓及電流的最大值相等、頻率相同,彼此之間有120°相位差的三個正弦交流電。[7]

三相交流電,輸電時只有三條火線,供電給客戶時有三條火線和中線。只使用其中一條相線及中線,便是單相電。火線如果相電壓是220V,線電壓則是380V。

三相電一般為三相四線。三個相線的符號為L1,L2,L3,也可以分別表示為A,B,C,分別代表相線1,相線2,相線3,L為Live Wire的縮寫,零線的符號為N,為Neutral Wire的縮寫。地線為E,為Earth的縮寫。

2、單相交流電 ;交流電(AC)是指大小和方向會隨時間周期性變化的電壓或電流。大多數的電器設備都是由交流220V、50Hz作為供電電源,這是我國公共用電的統一標準。

單相交流電,其電纜有一條火線和一條中線,用於一般住宅及商業樓宇。[8]

單相電有火線和零線兩條線,火線為L,為Live Wire的縮寫,零線為N,為Neutral Wire的縮寫。地線為E,為Earth的縮寫,也可以寫作PE,為Protecting Earth的縮寫。

工頻的來源

最早的商用交流電頻率是60Hz,電壓是110V,由美國西屋電氣公司實現,商用交流電網也是在美國首次投入運營,而美國是採用英制單位的,為計算方便故採用了60Hz/110V的規格。

商用交流電大獲成功之後,歐洲迅速引進了交流發電、饋電技術,而歐洲除英國外均使用公制單位,為計算方便將頻率改為了50Hz。後因110V電壓較低,電網傳輸損耗較大,為改善這種狀況,在交流電網沒有大規模建設因而沒有「負擔」的歐陸國家採用了220V的電壓規格,這是由110V倍壓而來,技術改造相對最簡單,於是在歐陸國家就形成了220V/50Hz的交流電網標準。

中國最早的交流電網並沒有統一的標準,只是局部的小型電網,設備由各發達工業國提供,規格五花八門,在蔣介石基本統一中國後,選定了公制為中國的度量衡標準,故電網的建設開始全面轉向公制基礎。1949年以後,中國的工業化全面轉向蘇聯模式,電網建設也遵照蘇聯標準,而蘇聯採用的也是歐陸標準,於是 220V/50Hz最終定格為中國的電網標準。[9]

外部連結

  • 交流電之父——特斯拉對交流電的貢獻,電子發燒友網,2017年12月25日
  • 交流電之父——特斯拉對交流電的貢獻,電子發燒友網,2017年12月25日
  • 正弦交流電的產生,個人圖書館網,2018-07-06
  • 交流電的產生,高中物理網
  • 電源基礎知識-交流電、三相電流,日圖科技網,2019-10-26
  • 交流電產生和應用,天涯社區網,2009-12-09
  • [1],日圖科技網,2019-10-26
  • 直流電與交流電基礎知識,土木工程網,2018-03-28
  • 交流電的頻率,中國科學院國家授時中心網,2012-09-19