交变电流电磁场与电磁波.docx
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交变电流电磁场与电磁波
交变电流
考试要求:
内容
基本要求
略高要求
较高要求
交变电流、交变电流的图像
掌握交变电流的概念和产生,认识交变电流的图像
正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值
掌握正弦式交变电流的特征及相关表达式和物理量
会解决交变电流的图像问题,将图像与交变电流的物理量相联系,会计算有效值和峰值
理想变压器
认识理想变压器
掌握理想变压器中电流、电压、功率的关系
将变压器与交变电流、电路进行综合考查
远距离输电
掌握远距离输电的原理
对远距离输电过程中的相关问题进行计算
变化的磁场产生电场.变化的电场产生磁场.电磁波及其传播.
了解电磁波的产生及传播,了解麦克斯韦的电磁场理论
电磁波的产生、发射和接收
了解电磁波的产生、发射和接收
电磁波谱
认识电磁波谱
1.交变电流
(1)大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流,简称交流电.
(2)方向不随时间变化的电流称为直流电.
2.正弦式电流
(1)按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流,简称正弦式电流.
(2)产生
①装置:
如图甲所示,当磁场中的线圈连续转动时,流过电流表的电流方向就会发生周期性变化,产生交变电流.
②过程分析:
如图乙所示为线圈abcd在磁场中绕轴OO’转动的截面图,ab和cd两个边要切割磁感线,产生电动势,线圈上就有了电流(或者说穿过线圈的磁通量发生变化而产生了感应电流).具体分析可从图中看出:
图①时,导体不切割磁感线,线圈中无电流;图②时,导体垂直切割磁感线,线圈中有电流,且电流从a端流入;图③同图①;图④中电流从a端流出;图⑤同图①,这说明电流方向发生了变化.
线圈每转一周,电流方向改变两次,电流的方向改变的时候就是线圈中无电流的时刻(或者说磁通量最大的时刻).由于在线圈转一周的过程中,线圈的磁通量有两次达到最大,故电流的方向在线圈转动一周的过程中改变两次,我们把线圈平面垂直于磁感线的位置叫做中性面.
(中性面的特点:
①线圈转到中性面位置时,穿过线圈的磁通量最大,但磁通量的变化率为零,感应电动势为零;②线圈转动一周,两次经过中性面,线圈每经过一次中性面,电流的方向就改变一次.)
(3)中性面:
线圈平面垂直于磁感线时,线圈中的感应电流为零,这一位置叫中性面.线圈平面经过中性面时,电流方向就发生改变.线圈绕轴转一周两次经过中性面,因此感应电流方向改变两次.
(4)变化规律:
从中性面开始计时,电动势、电压和电流的瞬时值表达式为
,,
(5)图像:
从中性面开始计时,图像为正弦曲线;从垂直于中性面的位置开始计时,图像为余弦曲线.
3.描述交变电流的物理量
(1)周期和频率
①周期T:
交变电流完成一次周期性变化所需的时间.单位:
秒。
②频率f:
交变电流在内完成周期性变化的次数.单位:
赫兹,简称赫,符号.
③周期与频率的关系:
或.在中,.
④我国工农业生产和生活用的交变电流,周期是0.02s,频率是50Hz.
(2)峰值
交变电流的峰值Im或Um是交变电流在一个周期内所能达到的最大数值,可用来表示电流强弱或电压高低.
(3)有效值
①定义:
根据电流的热效应来规定,让交流和恒定电流通过相同的电阻,如果它们在一个周期内产生的热量相等,就把这个恒定电流的数值叫做这个交流的有效值.
②正弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系:
,
(4)有效值、平均值、最大值(峰值)和瞬时值
①使用交变电流的设备铭牌上标明的额定电压、额定电流是指有效值,交流电表测量的也是有效值.提到交变电流的相关量,凡没有特别说明的,都是指有效值.
②在研究电容器是否被击穿时,要用最大值(峰值),因电容器标明的电压是它在工作时能够承受的最大值.
③在研究交变电流的功率和产生的热量时,用有效值.
④在求解某一时刻的受力情况时,用瞬时值.
⑤在求交变电流流过导体的过程中通过导体截面积的电荷量时,用平均值,.
4.电感和电容对交变电流的影响
(1)电感对交变电流的阻碍作用
①感抗:
表示电感线圈对交变电流阻碍作用的大小.线圈的自感系数越大、交流的频率越高,电感对交流的阻碍作用就越大,感抗就越大.
②低频扼流圈:
通直流、阻交流
③高频扼流圈:
通低频、通直流、阻高频
(2)电容对交变电流的阻碍作用
①容抗:
表示电容对交变电流阻碍作用的大小.电容器的电容越大,交流的频率越高,电容器对交流的阻碍作用就越小,容抗越小.
②作用:
隔直流,通交流
1、小型交流发电机中,矩形金属线圈在匀强磁场中匀速转动.产生的感应电动势与时间呈正弦函数关系,如图所示,此线圈与一个R=10Ω的电阻构成闭合电路,不计电路的其他电阻,下列说法正确的是()
A.交变电流的周期为0.125s
B.交变电流的频率为8Hz
C.交变电流的有效值为
D.交变电流的最大值为4A
2、(2005年北京高考)正弦交变电源与电阻R、交流电压表按照右图所示的方式连接,R=10Ω交流电压表的示数是10V.如图所示是交变电源输出电压u随时间t变化的图像,则()
A.通过R的电流iR随时间t变化的规律是
B.通过R的电流iR随时间t变化的规律是
C.R两端的电压uR随时间t变化的规律是
D.R两端的电压uR随时间t变化的规律是
3、(2008宁夏高考)如图a所示,一矩形线圈abcd放置在匀强磁场中,并绕过ab、cd中点的轴OO’以角速度ω逆时针匀速转动.若以线圈平面与磁场夹角θ=45°时(如图b)为计时起点,并规定当电流自a流向b时电流方向为正.则下列四幅图中正确的是( )
4、(2009高考福建理综)一台小型发电机产生的电动势随时间变化的正弦规律图像如图甲所示。
已知发电机线圈内阻为5.0Ω,现外接一只电阻为95.0Ω的灯泡,如图乙所示,则()
A.电压表V的示数为220V
B.电路中的电流方向每秒钟改变50次
C.灯泡实际消耗的功率为484W
D.发电机线圈内阻每秒钟产生的焦耳热为24.2J
5、(2008山东高考)图1、图2分别表示两种电压的波形,其中图1所示电压按正弦规律变化.下列说法正确的是()
A.图1表示交流电,图2表示直流电
B.两种电压的有效值相等
C.图1所示电压的瞬时值表达式为
D.图1所示电压经匝数比为10:
1的变压器变压后,频率变为原来的
6、如图所示的直流电通过图中的电阻R,则交变电流表的示数为多少?
7、交变电流通过一段长直导线时的电流为I,如果把这段长直导线绕成线圈,再接入原电路,通过线圈的电流为I’,则()
A.B.C.D.无法比较
变压器
5.变压器是改变交流电压的设备,互感现像是变压器工作的基础.
6.组成:
(1)变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的.
(2)原线圈:
与交流电源连接,也叫初级线圈.
(3)副线圈:
与负载连接,也叫次级线圈.
7.理想变压器
(1)电压与匝数的关系为:
原、副线圈的电压之比,等于两个线圈的匝数之比,即.
该关系不仅适用于原、副线圈只有一个的情况,而且适用于多个副线圈的情况,这是因为理想变压器的磁通量的变化率是相同的,因而每组线圈中产生的电动势和匝数成正比.在线圈内阻不计的情况下,线圈两端电压即等于电动势,故每组线圈两端电压都与匝数成正比。
(2)电流与匝数的关系为:
原、副线圈的电流与它们的匝数成反比,即.电流和匝数成反比的关系只适用于原、副线圈各有一个的情况,一旦有多个副线圈,该关系即不适用.
(3)功率关系:
理想变压器没有能量损失,输入功率等于输出功率.有:
,即
(4)对原、副线圈匝数比确定的变压器,其输出电压是由输入电压决定的,;在原副线圈匝数比确定的情况下,原线圈中的输入电流是由副线圈中的输出电流决定的,(由所接负载而定).
(5)动态分析:
此类问题大致有两种情况:
一是负载电阻不变,原副线圈的电压,电流,输入和输出功率随匝数比变化而变化的情况;另一类是匝数比不变,上述各量随负载电阻变化而变化的情况.在分析时要根据题意分清变量和不变量,分清自变量和因变量,即理想变压器各物理量变化的决定因素.
8.几种常见的变压器
(1)自耦变压器:
原、副线圈共用一个线圈.
(2)电压互感器:
测量交流高电压,使用时,把原线圈与被测电路并联.
(3)电流互感器:
测量交流大电流,使用时,把原线圈与被测电路串联.
自耦变压器
电压互感器电流互感器
1、如图所示,理想变压器的原线圈接在的交流电源上,副线圈接有R=55Ω的负载电阻.原、副线圈匝数之比为2:
1.电流表、电压表均为理想电表.下列说法正确的是( )
A.原线圈中电流表的读数为1A
B.原线圈中的输入功率为
C.副线圈中电压表的读数为
D.副线圈中输出交流电的周期为50s
2、如图所示,理想变压器初级线圈的匝数为n1,次级线圈的匝数为n2,初级线圈的两端a、b接正弦交流电源,电压表V示数为220V,负载电阻R=44Ω,电流表A1的示数是0.20A.下列判断中正确的是()
A.初级线圈和次级线圈的匝数比为2:
1
B.初级线圈和次级线圈的匝数比为5:
1
C.电流表A2的示数为1.0A
D.电流表A2的示数为0.4A
3、如图所示,理想变压器副线圈通过导线接两个相同的灯泡L1和L2.导线的等效电阻为R.现将原来断开的开关S闭合,若变压器原线圈两端的电压保持不变,则下列说法中正确的是()
A.副线圈两端的电压不变
B.通过灯泡L1的电流增大
C.原线圈中的电流减小
D.变压器的输入功率减小
4、(2008北京高考)一理想变压器原、副线圈匝数比n1:
n2=11:
5.原线圈与正弦交变电源连接,输入电压u如图所示.副线圈仅接入一个10Ω的电阻,则()
A.流过电阻的电流是20A
B.与电阻并联的电压表的示数是
C.经过1分钟电阻发出的热量是6×103J
D.变压器的输入功率是1×103W
5、如图,一理想变压器原线圈接入一交流电源,副线圈电路中R1、R2、R3和R4均为固定电阻,开关S是闭合的.V1和V2为理想电压表,读数分别为U1和U2;A1、A2和A3为理想电流表,读数分别为I1、I2和I3.现断开S,U1数值不变,下列推断中正确的是( )
A.U2变小,I3变小B.U2不变,I3变大
C.I1变小、I2变小D.I1变大、I2变大
远程输电
9.输电线上的电压损失和功率损失
设输电电流为,输电线的电阻为,则电压损失,功率损失
10.降低输电损耗的途径
(1)减小输电线电阻:
用铜、铝来制造输电线。
(2)减小输电线中的电流:
远距离输电时,提高输电电压,减小输电电流,是减小电压损失和功率损失的最有效途径。
11.远距离输电过程示意图,如图所示.
4.几个常见的关系:
(1)电流关系:
,,
(2)电压关系:
,,,其中分别表示升压变压器的原副线圈的匝数和降压变压器的原副线圈的匝数.
(3)功率关系:
,,,,
5.分析
(1)远距离输电的问题关键是分清各部分输入、输出的各个物理量及其相互关系,可先画出传输的结构示意图,通过原、副线圈的电流求出匝数比,也可通过电压关系求解.
(2)输电导线中的损耗将升压变压器与降压变压器联系起来,升压变压器副线圈中的电流、输电线上的电流、降压变压器原线圈中的电流三者相等.欧姆定律对变压器不能应用,但对导线仍然成立.
(3)电压是由发电站控制,送电单位通过电压控制用户的使用;同时用户也可以通过电流或功率影响送电单位电能的输送.因此我们在计算时,应根据电压、电流、功率的决定方向依次向下一级推导,即按“发电—升压—输电线—降压—用电器”的顺序分析或逆序分析.
1、远距离送电,已知升压变压器输出电压为U,功率为P,降压变压器的输入电压为U’,输电线的电阻为R,则线路损耗
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- 变电 流电 磁场 电磁波
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