3.2交變電流是怎樣產(chǎn)生的1．認(rèn)識交流發(fā)電機(jī)，了解交流發(fā)電

機(jī)的結(jié)構(gòu)。2．掌握交變電流的變化規(guī)律，熟悉

正弦交變電流的瞬時值表達(dá)式和

圖像。知道中性面的概念。3．能靈活運(yùn)用正弦交變電流的圖像

和三角函數(shù)表達(dá)式解決問題。一、交流發(fā)電機(jī)

1．原理閉合導(dǎo)體與磁極之間做

。穿過閉合導(dǎo)體的

發(fā)生變化。

2．構(gòu)造線圈(電樞)和

兩部分。相對運(yùn)動磁通量磁極3．分類兩種類型轉(zhuǎn)子定子特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)電樞式

磁極電壓低，功率小旋轉(zhuǎn)磁極式

電樞電壓高，功率大磁極電樞二、交變電流的產(chǎn)生原理和變化規(guī)律

1．產(chǎn)生原理

(1)條件：在勻強(qiáng)磁場中，矩形線圈繞

的軸勻速轉(zhuǎn)動。

(2)特殊位置特點(diǎn)：①中性面：線圈平面與磁感線

，線圈經(jīng)過中性面時，感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流

。垂直于磁場方向垂直為零②與中性面垂直時：線圈的感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流

。

(3)電流方向變化：線圈每經(jīng)過中性面一次，感應(yīng)電流的方向就改變一次；線圈每轉(zhuǎn)動一周，經(jīng)過中性面

，感應(yīng)電流的方向改變

。最大2次2次Emsin

ωtImsin

ωtUmsin

ωt(2)圖像描述如圖所示。[試身手·夯基礎(chǔ)]1．線圈垂直于磁感線時的位置叫________，此時穿過線圈平面的磁通量________，產(chǎn)生的電動勢________。答案：中性面最大為零2．矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，如果從中性面開始計時，經(jīng)時間t后，線圈平面轉(zhuǎn)過的角度θ＝________，瞬時感應(yīng)電動勢e＝________________，感應(yīng)電流為i＝_________________。此交流電通過一段導(dǎo)體時，導(dǎo)體兩端的電壓u＝________________。答案：ωt

Emsin

ωt

Imsin

ωt

Umsin

ωt3．關(guān)于中性面，下列說法錯誤的是(

)A．中性面就是穿過線圈的磁通量為零的面B．中性面就是線圈中磁通量變化率為零的面C．線圈過中性面時，電流方向必改變D．中性面就是線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢為零的面解析：線圈轉(zhuǎn)至中性面時，線圈平面與磁感線垂直，所以此時穿過線圈的磁通量最大，磁通量變化率為零，感應(yīng)電動勢為零，電流方向改變。答案：A4．如圖3－2－2甲所示，一矩形線圈abcd放置在勻強(qiáng)磁場中，并繞過ab、cd中點(diǎn)的軸OO′以角速度ω逆時針勻速轉(zhuǎn)動。若以線圈平面與磁場夾角θ＝45°時(如圖乙)為計時起點(diǎn)，并規(guī)定當(dāng)電流自a流向b時電流方向?yàn)檎?。則圖3－2－3所示四幅圖中正確的是(

)圖3－2－2圖3－2－3

1．推導(dǎo)正弦交變電流瞬時值的表達(dá)式設(shè)線圈從中性面起經(jīng)時間t轉(zhuǎn)過角度θ，則θ＝ωt。此時兩邊ab、cd速度方向與磁感線方向的夾角分別為ωt和180°－ωt，如圖3－2－4所示，它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢同向相加，整個線圈中的感應(yīng)電動勢為：圖3－2－42．交變電流的變化規(guī)律(1)e＝Emsin

ωt；(2)i＝Imsin

ωt；(3)u＝Umsin

ωt。

[名師點(diǎn)睛]其中交流電動勢的峰值Em，由線圈匝數(shù)n、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)動角速度ω及線圈面積S決定，與線圈的形狀無關(guān)，與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)，因此圖3－2－5所示幾種情況，若n、B、S、ω相同，則電動勢的峰值相同。圖3－2－6答案：

(1)e＝375sin5πtV

(2)375V交變電流瞬時表達(dá)式問題的破解程序：(1)觀察線圈的轉(zhuǎn)動軸是否與磁感線垂直；(2)從中性面開始計時，電動勢是按正弦規(guī)律變化；從線圈轉(zhuǎn)到與磁感線平行時開始計時，電動勢是按余弦規(guī)律變化；(3)計算電動勢最大值和角速度ω，寫出電動勢的瞬時表達(dá)式。

1．圖像意義反映了交變電流的電流(電壓)隨時間變化的規(guī)律，如圖3－2－7所示。

2．通過圖像可了解到信息最大值、周期、頻率。圖3－2－73．特殊位置(時刻)物理量的特點(diǎn)兩個位置比較內(nèi)容中性面中性面的垂直面圖示時刻k·T/2(k＝0,1,2…)k·T/4(k＝1,3,5…)兩個位置比較內(nèi)容中性面中性面的垂直面位置線圈平面與磁場垂直線圈平面與磁場平行磁通量最大零磁通量變化率零最大感應(yīng)電動勢零最大電流方向改變不變

2．一矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的交變電動勢的圖像如圖3－2－8所示，則

(

)A．交流電的頻率是4πHzB．當(dāng)t＝0時，線圈平面與磁感線垂直，磁通量最大圖3－2－8答案：

B對物理圖像需掌握的要點(diǎn)：一看：看“軸”、看“線”、看“斜率”、看“點(diǎn)”。二變：掌握“圖與圖”、“圖與式”、“圖與物”之間的變通。三判：在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正確的分析、判斷。

(1)電路中感應(yīng)電動勢的最大值和有效值。

(2)電路中交流電壓表和電流表的示數(shù)。

(3)線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過90°的過程中通過電阻R的電荷量。

[思路點(diǎn)撥]交變電流的最大值只是一個瞬間值，對產(chǎn)生焦耳熱無直接影響，起決定作用的是有效值。計算電荷量時要用電流的平均值。在交變電流的電路中，電壓、電流以及熱量和功率都用有效值計算，電壓表和電流表的示數(shù)都是指有效值，而耐壓值是指最大值，電路中通過的電荷量用平均值計算。1.(對應(yīng)要點(diǎn)一)處在勻強(qiáng)磁場中的矩形線圈abcd，以恒定的角速度繞ab邊轉(zhuǎn)動，磁場方向平行于紙面并與ab垂直。在t＝0時刻，線圈平面與紙面重合(如圖3－2－10所示)，線圈的cd邊離開紙面向外運(yùn)動。若規(guī)定由a→b→c→d→a方向的感應(yīng)電流為正，則在圖3－2－11中能反映線圈中感應(yīng)電流i隨時間t變化的圖像是

(

)圖3－2－10圖3－2－11解析：由右手定則或者楞次定律可以確定開始時刻感應(yīng)電流的方向?yàn)閍→b→c→d→a，跟規(guī)定的正方向相同，而且該時刻感應(yīng)電流最大，故選C。答案：C2．(對應(yīng)要點(diǎn)二)在勻強(qiáng)磁場中，一矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，如圖3－2－12甲所示，產(chǎn)生的交變電動勢的圖像如圖乙所示，則

(

)圖3－2－12A．t＝0.005s時線框的磁通量變化率為零B．t＝0.01s時線框平面與中性面重合C．線框產(chǎn)生的交變電動勢的有效值為311VD．線框產(chǎn)生的交變電動勢的頻率為100Hz答案：B圖3－2－133．(對應(yīng)要點(diǎn)三)如圖3－2－13所示，一個小型旋轉(zhuǎn)電樞式交流發(fā)電機(jī)，其矩形線圈的長度為a，寬度為b，共有n匝，總電阻為r，與線圈兩端相接觸的集流環(huán)上接有一個阻值為R的定值電阻，線圈以角速度ω在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中繞與磁場方向垂直的對稱軸OO′勻速運(yùn)動，沿轉(zhuǎn)軸OO′方向看去，線圈轉(zhuǎn)動沿逆時針方向，t＝0時刻線圈平面與磁感線垂直。(1)表示出線圈經(jīng)過圖示位置時，線圈中的感應(yīng)電流的方向。(2)寫出線圈轉(zhuǎn)動過程中感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式。(3)求線圈從t＝0位置開始到轉(zhuǎn)過90°的過程中的平均電動勢。(4)求線圈從t＝0位置開始到轉(zhuǎn)過60°時的瞬時電流。答案：見解析

(1)中性面磁通量雖然最大，但該位置磁通量變化率為零，從而瞬時電動勢為零。該位置是電流方向發(fā)生變化的位置。

(2)Em＝nBSω雖由矩形線圈求得，但對任何形狀的線圈都適用，條件是轉(zhuǎn)軸垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)