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第二章 交变电流
第一节 认识交变电流
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道交变电流、恒定电流的概念．
2．知道可以用示波器观察交变电流的波形．
3．知道交流发电机的构造，理解交变电流产生的原理．(重点、难点)
4．理解中性面的概念．(重点)
交 变 电 流
1．恒定电流：强弱和方向都不随时间改变的电流，简称直流．
2．交变电流：强弱和方向都随时间作周期性变化的电流，简称交流．
3．波形图：电流或电压随时间变化的图象．
4．日常生活和生产中所使用的交变电流是按正弦规律变化的交变电流．
1．交变电流是方向随时间作周期性变化的电流．(√)
2．只有按正弦规律变化的电流才是交变电流．(×)
3．交流电源没有正、负极之分．(√)
如图2-1-1所示，大小随时间周期性变化的电流就是交变电流吗？
图2-1-1
【提示】 不是，只有方向随时间周期性变化的电流才为交流电．
如图2-1-2所示，两二极管(单向导电性)按图示结构连入电路．
图2-1-2
探讨1：把图中电路接在干电池的两端时，可以观察到的现象是什么？
【提示】 当接在干电池两端时，只有一个发光二极管会亮．
探讨2：把图中电路接在手摇式发电机两端时，又会观察到怎样的现象？
【提示】 当接在手摇式发电机两端时两个发光二极管交替闪亮，原因是发电机产生与直流不同的电流，两个发光二极管一会儿接通这一个，一会儿再接通另外一个，电流方向不停地改变．
1．交变电流与直流电的区别
交变电流
直流电
脉动直流
恒定电流
方向
随时间周期性变化
不随时间变化
不随时间变化
大小
可以随时间变化也可以不随时间变化如矩形脉冲
可以随时间变化
不随时间变化
2.常见的几种交变电流的图象
不同的交变电流的变化规律不同，常见的有以下几种情况，如图2-1-3所示．
图2-1-3
无论大小是否变化，但都有一个共同的特点，就是电流的方向一定随时间做周期性变化．
1．下列选项所示的各图象中表示交变电流的是( )
【解析】 B、C两图象中，虽然电流大小随时间做周期性变化，但方向从图上看在t轴一侧方向不变，故不是交变电流．A图中电流的方向没发生变化，不是交变电流．D图中，从图上看电流分布在t轴两则，电流的大小、方向均做周期性变化，是交变电流．故选D.
【答案】 D
2．如选项图所示，其中不表示交变电流的是( )
【解析】 A、B、D中电流i的方向发生了周期性变化，是交变电流；C中电流方向不变，是直流电，故选C.
【答案】 C
交变电流理解的两点注意
1．只要电流的方向发生变化，即为交变电流，若方向不变，尽管大小变化亦为直流电．
2．在i-t或u-t图中，正负表示方向，若题中给出了i-t或u-t图象，一定要注意图象的坐标原点是否为0，图中i或u值有无正负变化．
交 变 电 流 的 产 生
1．交流发电机的基本结构：线圈、磁极、滑环及电刷．
2．过程分析(如图2-1-4所示)
图2-1-4
3．中性面
(1)定义：线圈平面垂直磁感线时的位置．
(2)特点：①感应电流为零；②线圈平面每经过一次中性面，感应电流方向就改变一次．
1．只要闭合线圈在磁场中转动就会产生交变电流．(×)
2．交变电流是矩形线圈绕平行于磁场方向的轴在匀强磁场中匀速转动产生的电流．(×)
3．矩形闭合线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速运动，当线圈与磁感线平行时，磁通量最小，电流最大．(√)
线圈在中性面时，磁通量、感应电动势、感应电流具有怎样的特点？
【提示】 线圈平面与磁场垂直的位置，即为中性面位置，在此位置磁通量最大，线圈的感应电动势和感应电流为零．
如图2-1-5所示是交流发电机的示意图，假定线圈沿逆时针方向转动，请思考讨论以下问题：
图2-1-5
探讨1：线圈在由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
【提示】 磁感线的方向由N指向S，当线圈由甲转到乙的过程中，向右穿过线圈ABCD的磁通量减少，根据楞次定律和安培定则可判断AB中的电流方向为由B流向A.
探讨2：线圈在由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？
【提示】 磁感线的方向由N指向S，当线圈由丙转到丁的过程中，向右穿过线圈DABC的磁通量减少，根据楞次定律和安培定则可判断AB中的电流方向为由A流向B.
探讨3：当线圈转到什么位置时线圈中没有电流？
【提示】 当线圈转到甲和丙位置(中性面位置)时，AB、CD的速度方向都与磁感线方向平行，不切割磁感线，故线圈中没有感应电动势，没有感应电流．
两特殊位置的比较
比较内容
中性面
中性面的垂直面
位置
线圈平面与磁场垂直
线圈平面与磁场平行
图示
磁通量
最大
零
磁通量变化率
零
最大
感应电动势
零
最大
感应电流
零
最大
电流方向
改变
不变
3．如图2-1-6所示为演示交流电产生的装置图，关于这个实验，正确的说法是( )
图2-1-6
A．线圈每转动一周，电流方向改变一次
B．图示位置为中性面，线圈中无感应电流
C．图示位置，ab边的感应电流方向由a→b
D．线圈平面与磁场方向平行时，磁通量变化率为零
【解析】 线圈在磁场中匀速转动时，在电路中产生周期性变化的交变电流，线圈经过中性面时电流改变方向，线圈每转动一周，有两次通过中性面，电流方向改变两次，故A项错；线圈平面垂直于磁感线的位置称为中性面，显然图示位置不是中性面，所以B项错；线圈处于图示位置时，ab边向右运动，由右手定则知，ab边的感应电流方向由a→b，C项对；线圈平面与磁场方向平行时，ab、cd边垂直切割磁感线，线圈产生的电动势最大，也可以这样认为，线圈处于竖直位置时，磁通量为零，但磁通量的变化率最大，D项错．
【答案】 C
4．矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，在图2-1-7所示位置( )
图2-1-7
A．穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最小
B．穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率最大
C．穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最大
D．穿过线圈的磁通量最小，磁通量的变化率最小
【解析】 当线圈平面平行于磁感线时，穿过线圈的磁通量最小，但磁通量的变化率最大．故选项C正确．
【答案】 C
5．一闭合矩形线圈abcd绕垂直于磁感线的固定轴OO′匀速转动，线圈平面位于如图2-1-8甲所示的匀强磁场中．通过线圈的磁通量Φ随时间t的变化规律如图乙所示，下列说法正确的是( )
图2-1-8
A．t1、t3时刻通过线圈的磁通量变化率最大
B．t1、t3时刻线圈中感应电流方向改变
C．t2、t4时刻线圈中磁通量最大
D．t2、t4时刻线圈中感应电动势最小
【解析】 从题图乙可以看出，t1、t3时刻通过线圈的磁通量最大，线圈经过中性面位置时线圈中感应电流方向改变，A错误，B正确；t2、t4时刻通过线圈的磁通量为零，线圈处于与中性面垂直的位置，此时感应电动势和感应电流均为最大，故C、D均错误．
【答案】 B
线圈在匀强磁场中转动问题的三点注意
1．矩形线框在匀强磁场中匀速转动，仅是产生交变电流的一种方式，但不是唯一方式．
2．线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ最大，＝0，e＝0，i＝0，电流方向将发生改变．
3．线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，最大，e最大，i最大，电流方向不变．
