全国中学生物理竞赛课件23：交流电路

全国中学生物理竞赛课件23：交流电路

交流电路 交流有效值的定义：与一个交流在相同时间内通过电阻所产生的热量相等的直流的数值。交流：有效值确定如图所示交流的有效值考虑一个周期时间内,由定义:i/At/s示例 交流通过电阻R的瞬时功率：P-t图线如示：与面积相同!P-t图与t轴所围”面积”表示半个周期产生的热根据交流有效值的定义：正弦式交流的有效值 t/su/V考虑四分之一周期,由定义:确定锯齿波有效值 电压超前电流电流超前电压消耗电能存储磁场能存储电场能能量矢量图同相电压电流变化相位关系欧姆定律形式阻抗纯电容电路纯电感电路纯电阻电路交流电路的规律规律串联电路规律 设通过电感器的电流纯电感电路电流与电压的相位关系电感器的两端电压 设电容器两端电压纯电容电路电流与电压的相位关系电容器的充放电流返回 交流：简单串联电路设通过电路的电流为串联电路的总电压为IURUCULUXUm示例 如图所示的电路已经达到稳定状态，两个无内阻电源电动势值分别为；；两个电阻R1=R2=R，电感L=，电容，试求通过电阻R1的电流i1(t)．专题23-例1解题方向:运用电流叠加原理,注意交流电路中的相位关系.电流叠加得:解: 小试身手题7RA1A2C电容器两端电压通过电阻的电流I1UIR通过A2的电流如图所示，阻值R＝200Ω的电阻和电容C＝5×10-6F的电容器并联，通过此并联电路的交流的圆频率ω＝103rad/s，交流安培表A1的读数I1＝1A，其内阻很小．试求交流安培表A2的读数．解: 小试身手题8R1R3R2R4ML1L2εε是恒定电源时，电感电阻为零，系统为一惠斯登电桥，没有电流流过电流计M的条件是ε是作正弦变化的电源时，没有电流流过电流计M的条件是如图所示的电路系统．已知R1、R２、R３、R4、L1和L2的值是这样选择的：不管ε是固定的，还是随时间作正弦变化的，都没有电流流过电流计M．假若R2＝90Ω，R3＝300Ω，R4＝60Ω，L2＝900H，求R1和L1．解: 专题23-例2～y先来求金属圆环内的感应电动势．设电磁铁线圈中电流变化按由法拉弟电磁感应定律，金属圆环中有互感感应电动势产生：圆环上的感应电动势的变化比施感电流及其磁场的变化落后π／２的相位．再来考虑圆环中的感应电流．这里必须考虑到金属环除了电阻R，还有感抗，L为圆环电感．故圆环上感应电流通过一RL串联电路，总阻抗为　　　　　　　　　，且感应电流相位落后于电动势（），故通过圆环的感应电流如图所示,有一金属圆环，它的轴竖直向上，今将它放置在电磁铁上方距离为y处，电磁铁线圈中电流，假定M为在此位置的圆环和电磁铁之间的互感系数，圆环的电阻为R．试求：⑴金属圆环内的感应电流；⑵说明当圆环由此下落时作用于圆环的电磁力的方向．续解解: 当圆环由电磁铁上方y处下落时，作用于圆环的电磁力F是斥力（向上）还是引力（向下），要视i与i环的方向关系定夺——若两者处于方向一致状态，圆环将被电磁铁吸引向下，反之将因受斥而向上．作两电流的图象如图:由图可知由于两电流有一相位差，使在电流变化的每个周期内，两电流及其磁场的方向在时间内同向而时间内反向，即反向的时间占多，故金属圆环受到的平均电磁力为斥力，方向向上．ti读题 小试身手题9设无接触电阻时线圈中电流为I0电流I0在线圈中引起的磁场为B0有接触电阻时,线圈中电流变化产生自感电动势:R由全电路欧姆定律:如图所示为一短路的超导螺线管，由于接触不完善，超导螺线管里电流发生变化，这个电流产生的磁场磁感应强度每小时减小2％．试求接触电阻R，已知螺线管的自感系数L=1H．解: IRCABC电源电动势ABIABULUCURUABURUAB干路电流为如图所示的交流电路，电源电动势，且，试求电路中干路电流i（t）小试身手题16解: R简单电路的暂态与稳态RC充放电路设充电时间t，电量为q，在充电的某元过程中，由基尔霍夫定律：ItOUS++ LR自感电路SS1接通S，由于自感,回路电流有一滋长过程,设某元段时间内电流由Ii-Ii+1,由基尔霍夫定律：对该式两边n次方取极限后可得：由于自感,回路电流有一衰减过程,电流衰减规律为： RSSabS从a→bＳ断开it0it0两种不同初态的振荡电流LC谐振电路 u1u2D1D1设u1=2Esinωt,如图正半周，在u1≥E时,D1导通,+在u1＜E时,D1、D2均截止,负半周，在u1≥EE时,D2导通,在u1＜E时,D1、D2均截止,+二极管限幅电路u1u2交流电路示例 SS1S2Rl电路处于稳定态时，电容器上电量为飞行的子弹将开关S打开后，在子弹从S飞至S1的时间内，RC电路处于放电过程，连锁开关S1打开、同时S2闭合，电容器极板上原通过电阻R放电剩余的电荷现通过冲击电流计G而中和，故有代入题给数据即得:CG２如图所示为一测子弹速度的机构的示意图，已知电源ε=100V，电阻R=6kΩ，电容C=0.1μF，距离l=3m．设电路已达稳态．测子弹速度时，子弹先将开关S打开，经l长距离飞至S1—S2连锁开关，使S1打开的同时S2闭合，若此时冲击电流计G测出电荷Q=3.45μC，求子弹的速度．专题23-例3解: 专题23-例4⑴S刚接通时:SR3R2I2I3S打开⑶S打开瞬时,L与R2、R3构成LR回路,该回路电流从原I3开始减小:R1⑵S闭合电路稳定时:⑷S切断后三个电阻均无电流通过如图所示的电路中，ε=100V，R1=10Ω，R2=20Ω，R3=30Ω，L=2H．求下列条件下，I1、I2、I3的值．⑴S刚接通时；⑵S接通长时间后；⑶S接通后再切断的瞬间；⑷S切断长时间后．解: 如图所示，自感系数分别为L1和L2的两个线圈，通过开关S1和S2接入电动势为ε、内电阻为r的电源上，开始时两个开关都断开，当开关S1闭合并且通过线圈L1的电流达到某个值I0后，开关S2闭合．求在开关S2闭合后，通过线圈L1和L2的稳定电流．线圈的电阻不计．专题23-例5S1S2L1L2I0S2刚接通时:通过L1电流为I0,通过L2电流为0;电路稳定时:设通过L1电流为I1,通过L2电流为I2;I1I2在变化的短时间内,两线圈产生自感电动势:对节点及两个回路中由基尔霍夫定律;解: 在如图所示的电路中，L1=10mH，L2=20mH，C1=10μF，C2=5μF，R=100kΩ，电源的正弦交流成份振幅保持不变，开关S长时间闭合．现打开开关，t0时间后，通过L1和L2的电流分别为i01=0.1A，i02=0.2A，电压U0=40V．试计算电路的固有振荡频率；确定导线AB上的电流以及线圈L1中电流的振幅．L1C1L2C2SRAB专题23-例6解答 SL1C1L2C2R两并联的LC振荡电路有相同的频率电路中各部分电流设定如图A对节点A:B对节点B:两电容器并联L1C1回路中振荡电流为0.2AL2C2回路中振荡电流为0.1AL1L2BAL1回路中直流为0.1A此时L1C1回路中振荡能表现电场能与磁场能:振荡电流达最大时电容器放电完毕,有:读题解: 小试身手题1电容器原带电荷CU.当开关置于2时电荷全部通过电流计，表指示QG=CU－It1；代入题给数据得CS++4.5V第二次经较长时间t2，电容器原带电量全部中和后又重新充电+第一次，开关置1,电源有It1的正电荷通过二极管到达电容器负极板，在那里与负电荷中和，剩余电荷CU-It1;通过电流计的电量是It2－CU=4QG;++++++由上二式得用如图所示的电路测量二极管的反向电流I，电容器接入前先充电，使两极板间电压等于电池电动势：U=ε=4.5V．然后接入电路，将其正极板与电池负极相接．将开关S置于位置1，经时间t1＝1min，再换接到位置2，此时电流计指针偏转n1＝5小格．电容器重新充电再重复实验，这次将S置于1的时间t2＝2min，则指针向反方向偏转n2＝20小格．设二极管反向电流与所加反向电压无关，求该反向电流．(C=10μF)解: 小试身手题2SL1L2C从开关S闭合到电容器上电压反向，通过两线圈的总电量为2CU，则两线圈并联，两端电势差总相同，即有可知则如图所示，电容为C的电容器充电到电势差为U，通过开关与自感系数分别为L1和L2的两个并联线圈相连．如果S闭合，那么经过某段时间后完全重新充电（即电容器上电压反向）,求在这段时间内通过每个线圈的电量q1和q2，线圈的电阻不计．解: C2小试身手题3S1C1S2++⑴若先闭合开关S1，则电路等效于电容C/2与电感L组成的LC振荡电路，C1带电量最大值为Q0；⑵闭合开关S2，C1带电量的最大值如何视开关S2闭合的时机!当振荡电流恰为零时闭合S2：Q0当振荡电流达最大时闭合S2：+C2S1C1S2其它时机闭合S2：如图所示，两个电容器C1=C2=C，最初两电容器分别带有电量Q1=Q2=Q0，线圈的自感系数为L，整个电路的电阻均不计．⑴若先闭合开关S1，则电路中将产生电磁振荡，振荡中C1的带电量的最大值为多少？⑵若接着再闭合开关S2，C1带电量的最大值有无变化？如有，则变化情况如何？解: 小试身手题4D1D2S+L若设电路未完成一次全振荡即成终态,由能量守恒:+若U较大,电路经n次全振荡到U=4V再成终态设经某次全振荡电容器电压从Ui→ε→0→-ε→0→ε→Ui+1电容器电量减少减少的电量是在ε→0→-ε→0→ε过程充入电源,则如图所示电路中，电池、二极管、电感线圈都是理想的，电池电动势为ε＝1.5V，电容器充电至电压为U．在开关闭合及电流停止后发现，电容器两板极性改变，电压变为U1＝1V，求电容器原电压U的值．解: 如图所示交变电路中，理想的二极管接入交流电路中，试求A与K两点间电压变化范围，并作出电路电流i、电容器电压uc及A、K间电压随时间变化图线．小试身手题6U127VADKUtOUm-UmitOUCtOUAKtO-Um-2Um解: 三相交流电 AXCZYB三个完全相同的、线圈平面互成120°的绕组，在匀强磁场中同时匀速转动，每个绕组中各产生一个交变电动势，此称三相交流电动势。★三相交流电动势的特点▲每相电动势的最大值、有效值、圆频率、周期均相等▲三相之间电动势的相位两两互差★三相交流电动势的数学表达式★三相交流电动势的产生三相交流电动势 AXCZYBeAeBeCOEAEBEC三相交流电的图象 三相电路的联接星形联接(Ｙ联接)三角形联接(△联接)U相OBCAZZZU线I线I相ABCZZZXZYU线I线I相I相 设三相电源的线电压为U线．对Δ接法的三相负载，其相电压即为U线，相电流为RRRrrr(b)(a)对Ｙ接法的三相负载，其相电压为线电流为相电流为专题23-例7如图所示，(a)和(b)是Δ接法和Ｙ接法的两个对称的三相负载电路，每相电阻分别是R和r，将它们先后接在同一个三相电源上后，线电流恰相等，求R与r的关系．解: 如图所示，三相交流的相电压为220V，负载是不对称的纯电阻，RA＝RB＝22Ω，RC＝27.5Ω，按星形联接．⑴试求中线电流；⑵试求各线电压；⑶若中线断开，试求各线电流．专题23-例8RARBRCABCIoO由欧姆定律可求出各相电流：++各线电压：IAICIB解: RARBRCABCO中线断开,各线电压不变,线电流：UABUBC ∵线圈1产生的磁通量只有一半通过线圈2，即∴原、副线圈变压关系成为当线圈1输入电压U1=40V作为原线圈时，当线圈2输入U电压作为原线圈时,原、副线圈变压关系成为如图所示的铁芯上绕有两个线圈，每个线圈产生的磁场都不穿出铁芯，并且在分叉处分为相等两部分．当线圈1接入电压为U1＝40V的交流电路中时，线圈2上电压为U；如果线圈2接入电压为U的交流电路中，问线圈1上的电压为多少？小试身手题5解:L2S212 小试身手题10如图所示，每个灯泡的额定电压均为220V，额定功率相同，则a与两灯的实际功率之比为______________．（设灯泡电阻恒定）220VABa解:AC由电路知,a灯相电压a′灯相电压 三相负载星形连接⑵S断开时，R1、R2串联在380V线电压上，故R2上的电压U=190V发热功率小试身手题11BACR1SR2R3解:⑴S闭合时，R2的电压为220V，则如图所示，A、B、C是三相交流电的三根端线，它们的线电压是380V．R1、R2、R3是阻值相同的三个电阻．⑴S闭合时，R2发热功率为100W，可知R2的阻值是Ω．⑵S断开时，R2上的电压是____V．这时它的发热功率为W.R1发热功率是_______W． 小试身手题12如图所示，把三组额定电压均为220V，额定功率分别为P1=1000W，P2=500W，P3=2000W的白炽灯L1、L2、L3接入线电压为380V的三相电路中，则⑴流过每相负载的电流强度IA=_______A，IB=_______A，IC=_______A．⑵A相负载断开和短路时，对B、C两相负载有何影响？解:ACBOL1L2L3每相电压为三相负载星形连接每灯电阻为因有中性线，A相断开或短路，对B、C两相均无影响。 电源星形接，三个对称负载与三个灯分别作三角形与星形联接，EFG中某个负载两端的电压与某个灯泡两端的电压之比是线电压与相电压之比，由小试身手题13如图所示，A、B、C是三相交流发电机中三个线圈的始端，O是三个线圈的末端．E、F、G是三个相同负载的示意图．照明电路中的三个电灯相同．EFG中某个负载两端的电压与某个灯泡两端的电压之比是．若A1的读数是I1，A2的读数是I2，那么通过负载FG的电流是，通过A3的电流是．解:EA3A1A2ACOBFGA1读数I1显示线电流，A2的读数I2显示相电流，通过负载FG的电流应是△联接的相电流,由由于负载对称，通过A3的电流即中性线上的电流是０． SABCＯABCxyz小试身手题14如图2所示，采用三相四线制供电的线路，相电压是220V．今有一三相交流电动机，铭牌上标明：接法△，电压380V．为使此电动机能正常工作，请在图中画出正确的连线．（图中S为三刀单掷开关）解: 在三相四线制照明电路中，A相接通8盏“220V，100W”灯泡，B相接通2盏“220V，100W”灯泡，C相中没有接通灯泡，这时接通的灯泡都正常发光．因某种原因，中性线断开，将会发生什么现象？小试身手题15解:这个电压已超过灯泡的额定电压，故B相灯泡烧坏，A相用电器断路．各相总电阻为：若中性线断开，则A、B两相串接在380V线电压上，此时B相负载上承受电压为：