交流電

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在曝光期內來回移動的照相機对許多固定路灯拍攝到的照片。由于电压的变化,每盞交流電路灯光留下的個別軌跡是虚线。
交流電的波形

交流電英语Alternating Current縮寫AC)是指大小和方向都發生週期性變化的電流,在一個週期內的運行平均值為零。不同于方向不随时间发生改变的直流電

通常波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。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。

發展歷史[编辑]

当发现了电磁感应后,产生交流电流的方法就被知晓。早期的成品由麦可·法拉第波利特·皮克西等人开发出来。

1882年,英国电工詹姆斯·戈登建造了大型双相交流发电机。开尔文勋爵塞巴斯蒂安·费兰蒂开发早期交流发电机,频率介于100赫兹至300赫兹之间。

1891年,尼古拉·特斯拉取得了“高频率”(15,000赫兹)交流发电机的专利。

1891年后,多相交流发电机被用来供应电流,此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16赫兹至100赫兹间,搭配弧光灯白炽灯电动机使用。

根据电磁感应定律,当导体周围的磁场发生变化,感应电流在导体中产生。通常情况下,旋转磁体称为转子,导体绕在铁芯上的线圈内的固定组,称为定子,当其跨越磁场时,便产生电流。产生交流电的基本机械称为交流發電機

简谐交流电[编辑]

根据傅里叶级数的原理,周期函数都可以展开为以正弦函数、余弦函数组成的无穷级数,任何非简谐的交流电也可以分解为一系列简谐正余弦交流电的合成。

频率[编辑]

交流电的频率是指它单位时间内周期性变化的次数,单位是赫兹,与周期成倒数关系。日常生活中的交流电的频率一般为50赫兹或60赫茲,而无线电技术中涉及的交流电频率一般较大,达到千赫兹(KHz)甚至兆赫兹(MHz)的度量。

峰值和有效值[编辑]

正余弦交流电的峰值与振幅相对应,而有效值大小则由相同时间内产生相当焦耳热的直流电的大小来等效。交流电峰值与方均根值(有效值)的关系为V_{peak}=\sqrt{2}V_{rms}。市電220V表示方均根值,其峰值为311V。


\begin{align}
V_\mathrm{rms} &=\sqrt{\frac{1}{T} \int_0^{T}[{V_{pk}\sin( \omega t+\phi)]^2 dt}}\\
               &=V_{pk}\sqrt{\frac{1}{2T} \int_0^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi)] dt}}\\
               &=V_{pk}\sqrt{\frac{1}{2T} \int_0^{T}{ dt}}\\
               &=\frac{V_{pk}}{\sqrt {2}}
\end{align}

三角函數積分一個周期,面積為零。

功率振盪[编辑]

假設使用單相電連接到純電阻負載。

v(t)=V_\mathrm{peak}\sin(\omega t)
i(t)=\frac{v(t)}{R}=\frac{V_\mathrm{peak}}{R}\sin(\omega t)
P(t)=v(t)\ i(t)=\frac{(V_\mathrm{peak})^2}{R} \sin^2(\omega t)

根據三角恒等式,可以得知功率(P)的振蕩頻率是電壓(V)頻率的兩倍。

\sin^2 x = \frac {1 - \cos 2x}{2}

使用50Hz或60Hz單相電時,電器的輸出功率會以100Hz或120Hz振蕩。這個數字遠高於肉眼可分辨的24Hz,所以我們無法觀察電燈在閃爍。

使用三相電時,三個功率相加是穩定的,詳見三相。這是發電廠使用三相發電機的主要原因之一。

交流电力传输[编辑]

交流电被广泛运用于电力的传输,因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。传输的电流在导线上的耗散功率可用P=I^2 R功率电流的平方×电阻)求得,显然要降低能量损耗需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限,很难降低目前使用的输电线路(如铜线)的电阻,所以降低传输的电流是唯一而且有效的方法。根据P=IV(功率=电流×电压,实际上有效功率P = IU \cos\phi),提高电网的电压即可降低导线中的电流,以达到节约能源的目的。

而交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特,从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全,在进户之前再次降低至市电电压或者适用的电压供用电器使用。

各國常用交流電相位分類[编辑]

目前各國使用的交流电相位模式主要為下列兩種:

  • 單相交流電,其电缆有一条火线和一条中線,用於家用電器。
  • 三相交流电,其电缆有三条火线和一条中線,三条火线上的正弦波各有120°相位差。只使用其中一条相线及中線便是單相電。

參看[编辑]

外部連結[编辑]