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交流電

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交流電是指電流方向隨時間作週期性變化的電流,在一個週期內的平均電流為零。不同於直流電,它的方向是會隨着時間發生改變的,而直流電沒有週期性變化
通常交流電(簡稱AC)波形正弦曲線。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。
中文名
交流電
外文名
Alternating Current
詮    釋
大小和方向隨時間作週期性
頻率規定
50Hz
發現者
麥可·法拉第Michael Faraday
電機發明
波利特·皮克西Hippolyte Pixii
其它貢獻
雅布洛奇科夫等
有效值
正餘弦交流電的峯值與振幅相對應
符    號
~
交流電之父
法拉第
交流電機之父
波利特·皮克西
學    科
電磁學
解析式表達式
u=Umsin(ωt+φu) [5] 

交流電發展歷史

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當發現了電磁感應後,產生交流電流的方法就被知曉。早期的發電機由英國人麥可·法拉第(Michael Faraday)與法國人波利特·皮克西(Hippolyte Pixii)等人發明出來。 [1] 
1882年,英國電工詹姆斯·戈登建造了大型雙相交流發電機。開爾文勳爵與塞巴斯蒂安·費蘭蒂(Sebastian Ziani de Ferranti)開發早期交流發電機,頻率介於100赫茲至300赫茲之間。 [1] 
1891年,尼古拉·特斯拉取得了高頻交流發電機(15000Hz)的專利。 [1] 
1891年後,多相交流發電機被用來供應電流,此後的交流發電機的交流電流頻率通常設計在16赫茲至100赫茲間,搭配弧光燈白熾燈電動機使用。 [1] 
根據電磁感應定律,當導體周圍的磁場發生變化,感應電流在導體中產生。通常情況下,旋轉磁體稱為轉子,導體繞在鐵芯上的線圈內的固定組,稱為定子,當其跨越磁場時,便產生電流。產生交流電的基本機械稱為交流發電機 [1] 

交流電數值

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交流電在某一個瞬間的數值稱為瞬時值,瞬時值最大的時候叫做最大值。其平均值可以用交流電的半個週期來計算。 [2] 
●瞬時值和最大值
線圈的旋轉角度 線圈的旋轉角度
右圖上的圓圈表示線圈的旋轉角度(角頻率),波浪則是正弦交流電,表示線圈旋轉後產生的電動勢。正弦波交流電,記錄了因線圈旋轉而改變角頻率時的瞬時數值。這個數值叫做“瞬時值”。當瞬時值最大的時候,剛好處於正向的波形小山和負向的波形小山的頂點,所以這個值叫做“最大值”。 [2] 
瞬時值f可以用e= Vm*sinwt來求得。Vm是由線圈的形狀或磁鐵的強弱來決定的。 [2] 
交流電的電動勢的電壓是正弦波,電流表現出來的也是同樣的正弦波。 [2] 
  • 平均值
正弦交流電的波形圖 正弦交流電的波形圖 [2]
由於正弦交流電波形圖是在正向波形小山和負向波形小山之間反覆變化的,所以可以求出其平均值。在正弦交流電的1個週期內,正向波形小山的面積與負向波形小山的面積相等,所以取其平均的結果是0。因此,如果要求正弦交流電的電動勢或電流的平均值的時候,可以用半個週期來計算。平均值Vav可以用Vav=2Vm / π來求得。 [2] 

交流電性質

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根據傅里葉級數的原理,週期函數都可以展開為以正弦函數、餘弦函數組成的無窮級數,任何非簡諧的交流電也可以分解為一系列簡諧正餘弦交流電的合成。 [1] 

交流電頻率

交流電的頻率是指它單位時間內週期性變化的次數,單位是赫茲,與週期成倒數關係。日常生活中的交流電的頻率一般為50赫茲或60赫茲,而無線電技術中涉及的交流電頻率一般較大,達到千赫茲(KHz)甚至百萬赫茲(MHz)的度量。不同國家的電力系統的交流電頻率不同,通常為50赫茲或者60赫茲。在亞洲使用50赫茲的國家與地區主要有中國、日本、泰國、印度和新加坡,而韓國、菲律賓和中國台灣使用60赫茲,歐洲大部分國家使用50赫茲,美洲使用60赫茲的國家主要是墨西哥、美國、加拿大。 [1] 

交流電峯值和有效值

正餘弦交流電的峯值與振幅相對應,而有效值大小則由相同時間內產生相當焦耳熱的直流電的大小來等效。交流電峯值與均方根值(有效值)的關係為
。市電220V表示均方根值,其峯值為311V。 [1] 

交流電功率振盪

假設使用單相電連接到純電阻負載。 [1] 
根據三角恆等式,可以得知功率(P)的振盪頻率是電壓(V)頻率的兩倍。 [1] 
使用50Hz或60Hz單相電時,電器的輸出功率會以100Hz或120Hz振盪。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。 [1] 
使用三相電時,三個功率相加是穩定的,這是發電廠使用三相發電機的主要原因之一。 [1] 

交流電應用

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交流電發電機

交流發電機通常採用旋轉磁場設計,電樞靜止,這樣便不需要使用電刷和滑環取電。 [1] 
同步發電機的磁場來自永久磁鐵電磁鐵。發電廠使用的大型同步發電機可透過控制勵磁系統(電磁鐵)來改變輸出電壓及無功功率。 [1] 
異步發電機靜止時不會自行產生磁場,利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場,與轉子繞組中感應電流相互作用來發電。異步發電機需要電容或同步發電機提供無功功率才可以運作,因此通常不能自啓動,即是不借助外部電力來啓動。 [1] 

交流電電力傳輸

交流電被廣泛運用於電力的傳輸,因為在以往的技術條件下交流輸電比直流輸電更有效率。傳輸的電流在導線上的耗散功率可用焦耳定律(P =I ²R)求得,顯然要降低能量損耗需要降低傳輸的電流或電線的電阻。由於成本和技術所限,很難降低使用的輸電線路(如銅線)的電阻,所以降低傳輸的電流是唯一而且有效的方法。根據P=IU(實際上有功功率
),提高電網的電壓即可降低導線中的電流,以達到節約能源的目的。 [1] 
而交流電升降壓容易的特點正好適合實現高壓輸電。使用結構簡單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千至幾十萬伏特,從而使電線上的電力損失極少。在城市內一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬至幾千伏以保證安全,在進户之前再次降低至市電電壓或者適用的電壓供用電器使用。 [1] 

交流電變壓器

  • 變壓器的構造
變壓器是一種用來改變交流電電壓的電氣設備,它是由一個閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成的。一個線圈和電源連接,叫原線圈(也叫初級線圈);另一個和負載連接,叫副線圈(也叫次級線圈)。兩個線圈都是用絕緣導線繞製成的,鐵芯由塗有絕緣漆的硅鋼片疊合而成。 [3] 
  • 變壓器的變壓原理
在原線圈上加交變電壓U1,原線圈中就有交流電通過,在鐵芯中產生交變的磁通量。這個交變的磁通量也穿過副線圈,在副線圈中引起感應電動勢。所以,這時的副線圈可以作為電源使用。當把用電器連接在副線圈的兩端時,副線圈電路中就產生交流電,這時加在用電器上的電壓就是副線圈的端電壓U2。 [3] 
由實驗知道,變壓器原線圈兩端的電壓U1和副線圈兩端的電壓U2之比,等於原線圈、副線圈的匝數n1、n2之比。如果n2大於n1,U2就大於U1變壓器就使電壓升高,這種變壓器叫做升壓變壓器。如果n2小於n1,U2就小於U1,變壓器就使電壓降低,這種變壓器叫做降壓變壓器 [3] 

交流電交流電相位分類

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各國使用的交流電相位主要為單相及三相。 [4] 

交流電三相電

主條目:三相交流電
三相交流電,輸電時只有三條火線,供電給客户時有三條火線和中線。只使用其中一條相線及中線,便是單相電。 [4] 
三條火線上的正弦波各有120°相位差,主要為工業用。 [4] 
如果相電壓是220V,線電壓則是380V。
三相電一般為三相四線。三個相線的符號為L1,L2,L3,也可以分別表示為A,B,C,分別代表相線1,相線2,相線3,L為Live Wire的縮寫,零線的符號為N,為Neutral Wire的縮寫。地線為E,為Earth的縮寫。 [4] 

交流電單相電

主條目:單相交流電
單相交流電,其電纜有一條火線和一條中線,用於一般住宅及商業樓宇。 [4] 
單相電有火線和零線兩條線,火線為L,為Live Wire的縮寫,零線為N,為Neutral Wire的縮寫。地線為E,為Earth的縮寫,也可以寫作PE,為Protecting Earth的縮寫。 [4] 

交流電直流電

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“直流電”(Direct Current,簡稱DC),又稱“恆流電”,恆定電流是直流電的一種,是大小和方向都不變的直流電,它是由愛迪生發現的。1747年,美國的富蘭克林根據實驗提出電荷守恆定律,並且定義了正電和負電的術語。 [2] 
恆定電流是指大小(電流大小)和方向(正負極)都不隨時間(相對範圍內)而變化,比如干電池。脈動直流電是指方向(正負極)不變,但大小隨時間變化,比如:我們把50Hz的交流電經過二極管整流後得到的就是典型脈動直流電,半波整流得到的是50Hz的脈動直流電,如果是全波或橋式整流得到的就是100Hz的脈動直流電,它們只有經過濾波(用電感或電容)以後才變成平滑直流電,當然其中仍存在脈動成分(稱紋波係數),大小視濾波電路的濾波效果。 [2] 
參考資料
  • 1.    Licht, Sidney Herman., "History of Electrotherapy", in Therapeutic Electricity and Ultraviolet Radiation, 2nd ed., ed. Sidney Licht, New Haven: E. Licht, 1967, Pp. 1-70.
  • 2.    (日)理科教育研究會著;遊向宇,雨晴譯.圖解電學知識:湖南科學技術出版社,2016.04:第70頁
  • 3.    複習指導用書編寫組.公安邊防消防警衞部隊院校招收士兵學員統考複習指導用書(2016版) 物理:中國人民公安大學出版社,,2016.03:第189頁
  • 4.    Hiob, Eric, "An Application of Trigonometry and Vectors to Alternating Current". British Columbia Institute of Technology, 2004.
  • 5.    人力資源和社會保障部教材辦公室.《電工:初級》:中國勞動社會保障出版社,2009年10月:第14頁