人教版选修二 3.1 交变电流 课件（29张PPT）

(共29张PPT)
3.1交变电流
如何产生感应电流？
请运用电磁感应的知识，设计一个发电机模型。
学生设计：让矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。
矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动
一、交变电流的产生
矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动
一、交变电流的产生
[演示1]：出示手摇发电机模型，并连接演示电流表
当线圈在磁场中转动时，电流表的指针随着线圈的转动而摆动，线圈每转动一周指针左右摆动一次。
表 明：电流强度的大小和方向都做周期性的变化，这种电流叫交流电。
1、直流电流( Direct Current ) —— 方向不随时间变化的电流。
2、交变电流( Alternating Current) —— 方向随时间做周期性变化的电流。
i
O
t
A
i
O
t
C
i
O
t
B
i
O
t
D
例1：下列的电流 i 随时间 t 变化的图象中,表示交流电的是
BCD
直流电流和交变电流的概念
和大小无关
甲：家庭电路中的正弦交变电流
乙：示波器中的锯齿波扫描电压
丙：电子计算机中的矩形脉冲
丁：激光通信中的尖脉冲
几种常见的交变电流波形
1. 发电机的基本构造
交变电流的产生
线圈：转轴垂直于磁场方向
磁极：磁极间形成匀强磁场
为什么矩形线圈在匀强磁场中
匀速转动时线圈里能产生交变电流？
2.产生过程：选取线圈运动过程中如图所示的几个特殊时刻进行研究
交变电流的产生
假定线圈沿逆时针方向匀速转动。
甲
甲
乙
丙
丁
1.B⊥S， Φ最大， E=0 (v//B), I=0
中性面（垂直磁场方向的平面）
没有边切割磁感线
A(B)
D(C)
过程分析（重点）
2.B∥S，Φ=0，E最大(v⊥B)，I最大E最大为多少？
A（B）、D（C）边垂直切割磁感应线
A(B)
D(C)
过程分析（重点）
感应电流方向B到A
过程分析（重点）
D(C)
A(B)
B
3.B⊥S， Φ最大， E=0 (v//B), I=0
中性面（垂直磁场方向的平面）
D(C)
A(B)
B
过程分析（重点）
4.B∥S，Φ=0，E最大(v⊥B)，I最大
感应电流方向A到B
交变电流的产生
最大
为零
中性面: 线圈平面与磁场垂直的时所在的平面
磁场B
面积S
磁通量Φ
磁场B
速度v
感应电动势E
感应电流I
（1）
（2）
（3）线圈经过中性面，电流方向 ，线圈转动一周， 次经过中性面，电流方向
⊥
∥
为零
磁通量变化率
A(B)
D(C)
中性面
B
v
v
主视图
为零
两
改变两次
改变
交变电流的产生
磁场B
面积S
磁通量Φ
磁场B
速度v
感应电动势E
感应电流I
（1）
（2）
（3）线圈经过中性面的垂面，电流方向
⊥
∥
为零
磁通量变化率
主视图
不变
中性面的垂面: 线圈平面与磁场平行的时所在的平面
最大
最大
最大
中性面的垂面
v
v
D(C)
A(B)
B
中性面 B⊥S 、B∥v Φ最大、 = 0 E= 0 、I = 0，方向改变
中性面的垂面 B∥S 、B⊥v Φ = 0 、 最大 E最大 、I 最大，方向不变
A(B)
D(C)
中性面
B
v
v
中性面的垂面
v
v
D(C)
A(B)
B
设线圈从中性面开始绕逆时针匀速转动，角速度是 ω。AB、CD 宽 L1，AD、BC 长 L2，线圈的面积是S，磁感应强度是B，经过时间 t，处于图示位置：
1）线圈转过的角度θ＝
2）AB边的线速度跟磁感线方向的夹角
3）AB边转动的线速度大小 v＝
4）AB边产生的感应电动势 eAB＝
5）整个线圈产生的感应电动势 e ＝
6）若线圈为N 匝，整个线圈产生的感应电动势 e ＝
用函数表达式描述交变电流
B
v
A(B)
D(C)
中性面
θ
t = 0
θ＝ωt
v‖
v⊥
θ
ωt
令 Em = NBSω 则 ：
峰值（最大值）
t 时刻瞬时值
闭合电路欧姆定律：
电阻R两端的电压：
从中性面开始计时：
匝数
面积
内阻为 r 的线圈给外电阻 R 供电
R
用函数表达式描述交变电流
若线圈从中性面的垂面开始计时，在t 时刻线圈中的感应电动势是多少？
B
v
A(B)
D(C)
中性面
ωt
t = 0
v‖
v⊥
ωt
另一种推导方式：
说明：物理学中，正弦交变电流与余弦交变电流(本质规律都相同)统称为正弦式交流电
交变电流的图象
e
O
T/4
2T/4
3T/4
T
π/2
π
3π/2
2π
t
Em
─Em
“五点”作图法
图像特殊点对应线圈的位置
Em= nBSω
e = Emsinωt
用函数表达式描述交变电流
求解交变电流的瞬时值答题步骤
中性面开始计时：
中性面的垂面开始计时：
注意：匀强磁场、转轴垂直于磁场、匀速转动的任意形状线圈均适用e = Emsin ω t 或 e = Emcosωt
　 规律 物理量　 从中性面开始计时 图象
磁通量 Φ＝Φmcos ωt＝BScos ωt
电动势 e＝Emsin ωt＝NBSω sin ωt
电压 u＝Umsin ωt＝ sin ωt
电流 i＝Imsin ωt＝ sin ωt
用函数表达式描述交变电流
例3: 单匝线圈边长AB为L 1 =20 cm，宽AD为L2 = 20 cm，在磁感应强度为 的匀强磁场中匀速转动，线圈转动一圈所用的时间是0.02s，当线圈转至中性面位置(图中位置)开始计时
（1）试写出电动势瞬时值的表达式？
（2）如果这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为R=2 Ω，写出电流瞬时值的表达式？
电路中电流的峰值为多少？
用函数表达式描述交变电流
例4: 如图所示，一半径为r＝10 cm的圆形线圈共N=100匝，在磁感应强度 的匀强磁场中，绕垂直于磁场方向的中心轴线OO′以n＝600 r/min 的转速匀速转动，当线圈转至中性面位置(图中位置)时开始计时。
(1)写出线圈内所产生的交变电动势的瞬时值表达式。
(2)求线圈从图示位置开始在 时的电动势的瞬时值。
(3)求线圈从图示位置开始在 时间内的电动势的平均值。
交变电流的图象
例5：一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图所示。则下列说法中正确的是
A．t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B．t＝0.01 s时刻，Φ的变化率为0
C．t＝0.02 s时刻，感应电动势达到最大
D．从t＝0.01 s时刻至t＝0.04 s时刻线圈转过的角度是
D
交变电流的图象
例6：如图甲所示，一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴OO′以恒定的角速度ω转动。当从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，线圈中产生的交变电流按照图乙所示的余弦规律变化，则在 的时刻
A．线圈中的电流最大
B．穿过线圈的磁通量为零
C．线圈所受的安培力最大
D．线圈中的电流为零
D
交变电流的图象
例7：(多选)一单匝矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴线匀速转动时产生正弦式交变电流，其电动势的变化规律如图线a所示，当调整线圈转速后，电动势的变化规律如图线b所示，以下关于这两个正弦式交变电流的说法正确的是
A．从图线可算出穿过线圈磁通量的最大值
B．线圈先后两次转速之比为2∶3
C．在图线a和b中，t＝0时刻穿过线圈的磁通量均为零
D．图线b电动势的瞬时值表达式为
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交流发电机简介
交流发电机
交流发电机
一、发电机的基本组成：
①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）
②用来产生磁场的磁极
二、发电机的基本种类
①旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）
②旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）
无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子
交流发电机