高中物理交变电流考点解析

一、交变电流的基本概念

交变电流，简称交流电（AC），是指大小和方向都随时间作周期性变化的电流。与之相对的是直流电，其方向保持不变。我们日常生活和工业生产中使用的电能大多为交变电流，像常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。

交变电流最基本的形式是正弦电流。当闭合线圈在匀强磁场中绕与磁场垂直的轴匀速转动时，线圈里就会产生大小和方向作周期性改变的交流电。这种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。正弦电流是时间的简谐函数，需用频率、峰值和相位三个物理量来描述。

二、交变电流的产生原理

交变电流通常由交流发电机产生，其原理是电磁感应。当闭合线圈在匀强磁场中绕与磁场垂直的轴匀速转动时，线圈中的磁通量会发生变化，从而产生感应电动势，进而形成交变电流。

根据法拉第电磁感应定律，电动势 e 随时间变化的规律为：若从中性面开始转动，e = E_m in mega t ；若从中性面的垂直面开始转动则用 e = E_m os mega t 。其中 E_m = nBSmega ，n 是匝数，B 是磁场强度，S 是面积，mega 是角速度，E_m 是电动势的峰值，表示电动势可能达到的最大值。由于发电机的电动势按照正弦规律变化，所以单个负载为电灯等用电器时，负载两端的电压 u 和流过的电流 i 也按正弦规律变化，即 u = U_m in mega t ，i = I_m in mega t ，式中 U_m 和 I_m 分别为电压和电流的峰值，而 e、u、i 则是这几个量的瞬间值。

三、表征交变电流的物理量

瞬时值

交流电某一时刻的值，常用 e、u、i 表示。例如，正弦式交变电流的电动势瞬时值表达式为 e = E_m in mega t ，电压瞬时值 u = U_m in mega t ，电流瞬时值 i = I_m in mega t 。

最大值

最大值 E_m = NBSmega ，最大值 E_m（U_m，I_m）与线圈的形状，以及转动轴处于线圈平面内哪个位置无关。在考虑电容器的耐压值时，则应根据交流电的最大值。例如，生活中用的市电电压为 220V ，这是有效值，其最大值 U_m = 220qrt{2}Vpprox311V 。

有效值

交流电的有效值是根据电流的热效应来规定的。即在同一时间内，跟某一交流电能使同一电阻产生相等热量的直流电的数值，叫做该交流电的有效值。对于正弦交流电，有效值与最大值之间的关系为 E = rac{E_m}{qrt{2}} ，U = rac{U_m}{qrt{2}} ，I = rac{I_m}{qrt{2}} 。求电功、电功率以及确定保险丝的熔断电流等物理量时，要用有效值计算。各种交流电器设备上标示值及交流电表上的测量值都指有效值。需要注意的是，上述有效值与最大值的关系只适用于正弦交流电，其他交变电流的有效值只能根据有效值的定义来计算。

周期和频率

周期 T 是指交流电完成一次周期性变化所需的时间，在一个周期内，交流电的方向变化两次。频率 f 是指交流电在 1s 内完成周期性变化的次数，单位是赫兹（Hz），它与周期成倒数关系，即 f=rac{1}{T} 。角频率 mega = rac{2i}{T}= 2i f 。日常生活中的交流电的频率一般为 50Hz ，而无线电技术中涉及的交流电频率一般较大，达到千赫兹（KHz）甚至兆赫兹（MHz）的度量。

四、电感和电容对交变电流的影响

电感对交变电流的影响

电感对交变电流有“通直流、阻交流；通低频、阻高频”的作用。当交变电流通过电感线圈时，由于电流的变化会在线圈中产生自感电动势，自感电动势会阻碍电流的变化。对于直流电，其电流大小和方向不变，电感对其相当于导线；对于交变电流，频率越高，电流变化越快，自感电动势就越大，对电流的阻碍作用也就越大。

电容对交变电流的影响

电容对交变电流有“通交流、隔直流；通高频、阻低频”的作用。当电容器接入交变电流电路时，电容器会不断地充电和放电，从而使得交变电流能够“通过”电容器。对于直流电，电容器在充电完成后相当于断路，直流电无法通过；对于交变电流，频率越高，电容器充电和放电的速度越快，对电流的阻碍作用就越小。

五、变压器的原理和应用

理想变压器的工作原理

理想变压器工作时无功率损失（即无铜损、铁损），因此，理想变压器原副线圈电阻均不计。它是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置。当原线圈中通入交变电流时，会在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变磁通量会穿过副线圈，从而在副线圈中产生感应电动势。

理想变压器的关系式

• 电压关系：rac{U_1}{U_2}=rac{n_1}{n_2}（变压比），即电压与匝数成正比。其中 U_1 是原线圈两端的电压，U_2 是副线圈两端的电压，n_1 是原线圈的匝数，n_2 是副线圈的匝数。如果 n_2>n_1 ，则为升压变压器；如果 n_2 < n_1 ，则为降压变压器。
• 功率关系：P_{入}=P_{出} ，即 I_1U_1 = I_2U_2+I_3U_3+dots 。这表明理想变压器输入功率等于输出功率。
• 电流关系：对于只有一个副线圈的变压器，rac{I_1}{I_2}=rac{n_2}{n_1}（变流比），即电流跟匝数成反比。

变压器的线圈绕制特点

变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当用较粗的导线绕制。这是为了保证线圈能够承受相应的电流，减少能量损耗。

六、交变电流的应用和安全问题

交变电流的应用

交变电流在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。在家用电器方面，电视、冰箱、洗衣机等的供电都依赖于交变电流；在无线电通讯领域，无线电波的发射和接收都依赖于交变电流；在电力传输方面，交变电流可以方便地进行远距离传输，通常采用高压输电的方式来降低电流的大小，从而减少电能在传输过程中的损耗，在传输过程中，还需要使用变压器来升高或降低电压。此外，随着新能源的发展，太阳能发电、风能发电等都需要将产生的直流电转换为交变电流，才能进行传输和使用。在智能电网中，交变电流也将会发挥更加重要的作用。

交变电流的安全问题

使用交变电流时需要注意安全。由于交变电流的方向和大小不断变化，因此更容易对人体造成伤害。在接触交变电流时，应该使用绝缘工具，并避免接触裸露的电线。例如，在进行电器维修时，一定要先切断电源，确保自身安全。同时，在设计交变电流电路时，还需要考虑电磁兼容性，因为在交变电流电路中，由于存在电容和电感等元件，容易产生电磁干扰，影响电子设备的正常工作。

总之，交变电流是高中物理中一个重要的知识点，涉及到多个考点。理解交变电流的基本概念、产生原理、相关物理量、电感和电容对其的影响、变压器的原理和应用以及安全问题等，对于掌握高中物理知识和解决实际问题都具有重要意义。