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了解交流電壓的產(chǎn)生

發(fā)布時間:2024-10-26 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】交流電 (AC) 不斷反轉(zhuǎn)方向,交替流向一個方向,然后流向另一個方向。交流電壓也可以類似地描述。通常,交流電壓和電流是正弦曲線,峰值、平均值和有效值之間存在確定的關(guān)系。


交流電 (AC) 不斷反轉(zhuǎn)方向,交替流向一個方向,然后流向另一個方向。交流電壓也可以類似地描述。通常,交流電壓和電流是正弦曲線,峰值、平均值和有效值之間存在確定的關(guān)系。

考慮在磁場中旋轉(zhuǎn)的兩個串聯(lián)導(dǎo)體,如圖 1 所示。導(dǎo)體 1 和 2 在兩個磁極之間設(shè)置的磁場內(nèi)形成一個回路。導(dǎo)體以機械方式固定在配有手動轉(zhuǎn)動曲柄的軸上。每個導(dǎo)體都連接到滑環(huán),并且滑環(huán)具有用于電連接到外部端子(A和B)的電刷。當(dāng)環(huán)路旋轉(zhuǎn)時,導(dǎo)體切割(或刷過)磁通量,導(dǎo)致每個導(dǎo)體中產(chǎn)生電動勢。

 了解交流電壓的產(chǎn)生
圖 1. 由在磁場中旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電環(huán)組成的簡單交流電壓發(fā)生器。當(dāng)導(dǎo)體掃過磁極時,每個導(dǎo)體中都會感應(yīng)出電動勢(并在輸出端子處產(chǎn)生)。當(dāng)導(dǎo)體從一極移動到另一極時,電動勢會反轉(zhuǎn)極性。

圖 2 說明了環(huán)路在磁場中旋轉(zhuǎn)時各個實例的情況。這些可以解釋如下。

循環(huán)是水平的

圖 2(a): 環(huán)路是水平的,導(dǎo)體一向上移動,導(dǎo)體二向下移動。由于此時每個導(dǎo)體的運動與磁場方向平行,因此沒有磁通被導(dǎo)體切割,因此不會產(chǎn)生電動勢。如電壓 (e) 與時間 (t) 關(guān)系圖上的點“a”所示,輸出端子(圖 1 中的 A 和 B)處的電壓為零。

導(dǎo)體以一定角度移動

圖 2(b): 導(dǎo)體現(xiàn)在以一定角度穿過磁場移動,因此每個導(dǎo)體都會切割一些磁通,并且每個導(dǎo)體中都會感應(yīng)出 EMF。根據(jù)楞次定律,感應(yīng)電動勢的方向必須與引起電動勢的運動相反。因此,導(dǎo)體一中感應(yīng)的電動勢會導(dǎo)致電流流向觀察者,如圖所示。該電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生逆時針方向的磁通量,該磁通量增強了導(dǎo)體前面的磁場并減弱了后面的磁場(即,它與導(dǎo)體的運動相反)。

類似地,導(dǎo)體 2 中的感應(yīng)電動勢會產(chǎn)生如圖所示方向的電流,遠離觀察者。在導(dǎo)體 2 周圍建立了順時針磁通,這再次削弱了導(dǎo)體 2 后面的磁通并增強了導(dǎo)體前面的磁通,與導(dǎo)體的運動相反??梢钥闯觯瑑蓚€導(dǎo)體中的電流方向是相互協(xié)助的[即,電流以單一方向圍繞環(huán)路(圖1)流動]。

因此,輸出電壓在端子 A 處為正,在端子 B 處為負。(導(dǎo)體 1 連接到 A,導(dǎo)體 2 連接到 B。)電流按所示方向(從 A 到 B)流過外部負載RL 。當(dāng)繪制端電壓 e 的增長與時間 t 的關(guān)系時,結(jié)果如圖 2(i) 中的圖形(或波形)所示。點“a”表示在圖2(a)中的條件下獲得的零輸出電壓,點“b”是當(dāng)導(dǎo)體位置如圖2(b)所示時稍后的輸出電壓。

導(dǎo)體垂直于磁場移動

圖 2(c): 導(dǎo)體現(xiàn)在垂直于磁場移動。因此,它們切割磁通并產(chǎn)生電動勢。同樣,電流方向相互輔助,使得電流圍繞環(huán)路流動,并且端子 A 保持正值,而端子 B 為負值?,F(xiàn)在,通過 R L 的輸出電流 比以前更大,并且如 e-vs-t 圖表所示,輸出電壓已達到峰值,即“c”點。

了解交流電壓的產(chǎn)生
圖 2. 在磁場中旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電環(huán)路的端子處生成正弦電壓波形。當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁場移動時,會產(chǎn)生峰值輸出電壓[參見 (c) 和 (g)]。當(dāng)導(dǎo)體平行于磁場移動時,會產(chǎn)生零輸出[參見 (a) 和 (e)]。圖片由 Amna Ahmad 提供

導(dǎo)體移動角度小于 90 o

圖 2(d): 現(xiàn)在,導(dǎo)體再次以與磁場方向小于 90° 的角度移動。因此,被切割的磁通量減少,因此生成的 EMF 小于圖 2(c) 中的條件。電流方向和輸出電壓極性與之前相同。然而,輸出電壓現(xiàn)在已降至峰值水平以下,如 e-vs-t 圖表上的“d”點所示。

導(dǎo)體平行于磁場方向移動

圖2(e): 此時,導(dǎo)體再次平行于磁場方向移動。沒有通量被切割,因此不會產(chǎn)生 EMF。輸出電壓為零,繪制在電壓隨時間圖上的點“e”處。

導(dǎo)體以一定角度移動

圖 2(f): 導(dǎo)體再次以與磁場方向相關(guān)的角度移動。然而,現(xiàn)在兩個導(dǎo)體的感應(yīng)電流方向相反。導(dǎo)體一中的電流方向遠離觀察者,而導(dǎo)體二中的電流方向朝向觀察者??梢钥闯觯娏魅匀换ハ噍o助,使得環(huán)路周圍的電流仍然具有單一(但相反)方向。現(xiàn)在的輸出電壓使得端子 B(圖 1 中)為正,而端子 A 為負。隨時間繪制的瞬時輸出電壓給出了圖表上的“f”點。

導(dǎo)體垂直于磁場移動

圖 2(g): 導(dǎo)體的運動再次垂直于磁場,并且通量被切斷。因此,再次產(chǎn)生電動勢。輸出電壓仍然是負值,并且已達到其峰值,繪制在 e-vs-t 圖表上的點“g”處。很容易看出,隨著環(huán)路繼續(xù)旋轉(zhuǎn),輸出電壓再次變?yōu)榱?,然后再次反轉(zhuǎn),如此周而復(fù)始。

由于旋轉(zhuǎn)回路產(chǎn)生的電壓是正負交替的,所以稱為交流電壓。由交流電壓供電的負載中產(chǎn)生的電流首先沿一個方向流動,然后沿另一個方向流動。所以,它是交流電。 AC 名稱通常適用于電流和電壓。圖 2(i) 中的電壓/時間圖稱為交流波形。


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