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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。早期的成品由英國麥可·法拉第(Michael Faraday)與法國波利特·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:交流電的有效值是通過熱效應來定義的。 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]

有效值一般用大寫英文字母E、 U、 I表示。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。

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]

相關視頻

1、三相交流電的產生

三相交流電的產生

2、什麼是直流電交流電

什麼是直流電交流電

外部連結

參考來源

  1. 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
  2. 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
  3. 正弦交流電的產生,個人圖書館網,2018-07-06
  4. 交流電的產生,高中物理網
  5. 電源基礎知識-交流電、三相電流,日圖科技網,2019-10-26
  6. 交流電產生和應用,天涯社區網,2009-12-09
  7. 電源基礎知識-交流電、三相電流,日圖科技網,2019-10-26
  8. 直流電與交流電基礎知識,土木工程網,2018-03-28
  9. 交流電的頻率,中國科學院國家授時中心網,2012-09-19