在工业生产中,利用电磁感应现象产生电流(或电压)的最典型的例子是交流发电。为了便于理解,首先具体分析一个最简单的交流发电机的工作过程,然后总结一下交流电的特点。
图1-9是最简单的交流发电机工作原理示意图。图中,一个单线圈在均匀磁场(磁场强度的大小和方向在各点是相同的)中绕轴做等速转动,线圈的两端分别连接在两个彼此绝缘的滑环上,滑环通过与固定的电刷滑动接触,始终与外电路连接。
图1-9 最简单的交流发电机示意
当线圈平面处于水平位置时,线圈的ab边(或cd边)的运动方向和磁力线平行,不切割磁力线,所以电路中的感应电流(或电压)为零;当线圈以逆时针方向绕轴做等速旋转时,线圈的ab边(或cd边)切割磁力线的数目从零逐渐增多,所以电路中的感应电流(或电压)也从零逐渐增大;当线圈平面转到与水平面垂直位置时,线圈的ab边(或cd边)切割磁力线的数目最多,电路中的感应电流(或电压)达到最大值;线圈继续旋转,线圈的ab边(或cd边)切割磁力线的数目逐渐减少,电路中的感应电流(或电压)也跟着逐渐减小,直到线圈转到水平位置时(ab边在左,cd边在右),即线圈转了半圈(180°),电路中的感应电流(或电压)又减到零;线圈继续旋转时,这时ab边(或cd边)便靠近另一磁极S(或N),切割磁力线的方向与前半转相反,但切割磁力线的情况与前半转相同,所以电路中的感应电流(或电压)的大小与前半转一样,但电路中的感应电流(或电压)的方向与前半转相反。直到线圈转到原来出发的水平位置时,刚好完成一周。
从以上叙述可知,只要线圈的转动是均匀的,电路中产生的感应电流(或电压)的大小和方向的变化如图1-10所示。感应电流(或电压)从零值(线圈平面处于水平位置,它与水平面的交角为0°)开始,逐渐增大达到正向最大值(线圈平面与水平面垂直,它们的交角为90°)后,再逐渐减小下降到零值(线圈平角转过半周又到达水平位置,它们的交角为180°);随后又向反方向增大,达到反向最大值(线圈平面转到下半周又与水平面垂直,即交角为270°);然后,又逐渐减小到零值(线圈平面转动一周,又恢复到原始水平位置,即360°时)为止,这样就完成了一个周期。当线圈继续匀速转动时,又开始重复原来的情况,周而复始。不难推知,如果将图1-9中线圈的永久磁体位置对调一下,即线圈不动,永久磁体做匀速旋转,同样会产生感应电流(或电压),其效果和规律是完全相同的。这种大小和方向都随时间变化的电压或电流通称为交流电。由于其大小变化的规律和数学中的正弦函数一样,又常称之为正弦交流电。若用数学公式表示出感应电压u的变化规律时,即为
u=Umsinωt
式中:Um为感应电压u的最大值,称为幅值;ω称为u的角频率,其值等于2πf。f为线圈每秒钟的旋转次数,即为u的频率;t为时间。
显然,交流电与直流电有很大不同,它不仅没有固定的正负极性,而且其大小也在不断地变化。
图1-10 感应电流或电压的大小和方向变化
现代工业、农业、交通运输、通信和日常生活中使用的电(能),几乎都是交流电,或者是间接的交流电。和直流电相比,交流电具有许多突出的优点:一是交流电能够应用变压器方便地改变电压的高低,使发电、送电、配电既经济又安全;二是交流发电机和交流电动机均比直流发动机和直流电动机结构简单、成本低廉、坚固耐用、维护方便;三是交流电可以方便地利用整流装置转换成直流电,供给需要直流电的场合使用。