1.5　直流电与交流电

1.5.1　直流电

直流电是指方向始终固定不变的电压或电流。能产生直流电的电源称为直流电源，常见的干电池、蓄电池和直流发电机等都是直流电源，直流电源常用图1-17（a）所示的符号表示。直流电的电流方向总是由电源正极输出，再通过电路流到负极。在图1-17（b）所示的直流电路中，电流从直流电源正极流出，经电阻R和灯泡流到负极结束。

直流电又分为稳定直流电和脉动直流电。

1.稳定直流电

稳定直流电是指方向固定不变并且大小也不变的直流电。稳定直流电可用图1-18（a）所示波形表示，稳定直流电的电流I的大小始终保持恒定（始终为6mA），在图中用直线表示；直流电的电流方向保持不变，始终是从电源正极流向负极，图中的直线始终在X轴上方，表示电流的方向始终不变。

2.脉动直流电

脉动直流电是指方向固定不变，但大小随时间变化的直流电。脉动直流电可用如图1-18（b）所示的波形表示，从图中可以看出，脉动直流电的电流I的大小随时间而波动变化（如在t1时刻电流为6mA，在t2时刻电流变为4mA），电流大小波动变化在图中用曲线表示；脉动直流电的方向始终不变（电流始终从电源正极流向负极），图中的曲线始终在X轴上方，表示电流的方向始终不变。

1.5.2　交流电

交流电是指方向和大小都随时间做周期性变化的电压或电流。交流电类型很多，其中最常见的是正弦交流电，因此这里就以正弦交流电为例来介绍交流电。

1.正弦交流电

正弦交流电的符号、电路和波形如图1-19所示。

下面以图1-19（b）所示的交流电路来说明图1-19（c）所示正弦交流电波形。

① 在0～t1期间：交流电源e的电压极性是上正下负，电流I的方向是：交流电源上正→电阻R→交流电源下负，并且电流I逐渐增大，电流的逐渐增大在图1-19（c）中用波形逐渐上升表示，在t1时刻电流达到最大值。

② 在t1～t2期间：交流电源e的电压极性仍是上正下负，电流I的方向仍是从交流电源上正→电阻R→交流电源下负，但电流I逐渐减小，电流的逐渐减小在图1-19（c）中用波形逐渐下降表示，在t2时刻电流为0。

③ 在t2～t3期间：交流电源e的电压极性变为上负下正，电流I的方向也发生改变，图1-19（c）中的交流电波形由时间轴上方转到下方，表示电流方向发生改变，电流I的方向是：交流电源下正→电阻R→交流电源上负，电流反方向逐渐增大，在t3时刻反方向的电流达到最大值。

④ 在t3～t4期间：交流电源e的电压极性为上负下正，电流仍是反方向，电流的方向是由交流电源下正→电阻R→交流电源上负，电流反方向逐渐减小，在t4时刻电流减小到0。

从t4时刻以后，电流大小和方向变化与0～t4期间变化相同。实际上，交流电源不但电流大小和方向按正弦波变化，其电压大小和方向变化也像电流一样按正弦波变化。

2.周期和频率

周期和频率是交流电最常用的两个概念，下面以图1-20所示的正弦交流电波形图来说明周期和频率。

（1）周期

从图1-20可以看出，交流电变化过程是不断重复的，交流电重复变化一次所需的时间称为周期，周期用T 表示，单位是秒（s）。图1-20所示交流电的周期为T=0.02s，说明该交流电每隔0.02s就会重复变化一次。

（2）频率

交流电在一秒内重复变化的次数称为频率，频率用f表示，它是周期的倒数，即

频率的单位是赫（兹），用Hz表示。图1-20所示交流电的周期为T=0.02s，那么它的频率就是f =1/T=1/0.02Hz= 50Hz。该交流电的频率f =50Hz，说明在一秒内交流电能重复0～t4这个过程50次。交流电变化越快，变化一次所需要的时间越短，周期就越短，频率就越高。

根据频率的高低不同，交流信号分为高频信号、中频信号和低频信号。高频、中频和低频信号划分没有严格的规定，一般认为：频率在3MHz以上的信号称为高频信号，频率在300kHz～3MHz范围内的信号称为中频信号，频率低于300kHz的信号称为低频信号。

高频、中频和低频是一个相对概念，在不同的电子设备中，它们范围是不同的。例如在调频（FM）收音机中，88～108MHz称为高频，10.7MHz称为中频，20Hz～20kHz称为低频；而在调幅（AM）收音机中，525～1605kHz称为高频，465kHz称为中频，20Hz～20kHz称为低频。

3.瞬时值和有效值

（1）瞬时值

交流电的大小和方向是不断变化的，交流电在某一时刻的值称为交流电在该时刻的瞬时值。以图1-20所示的交流电压为例，它在t1时刻的瞬时值为（约为311V），该值为最大瞬时值；而在t2时刻瞬时值为0V，该值为最小瞬时值。

（2）有效值

交流电的大小和方向是不断变化的，这给电路计算和测量带来不便，为此引入有效值。下面以图1-21所示电路来说明有效值的含义。

图1-21两个电路中的电热丝完全一样，现分别给电热丝通交流电和直流电，如果两电路通电时间相同，并且电热丝发出热量也相同，对电热丝来说，这里的交流电和直流电是等效的，那么就将图1-21（b）中直流电的电压值或电流值称为图1-21（a）中交流电的有效电压值或有效电流值。

交流市电电压为220V，指的就是有效值，其含义是虽然交流电的电压时刻变化，但它的效果与220V直流电是一样的。若无特别说明，交流电的大小通常是指有效值，测量仪表的测量值一般也是指有效值。正弦交流电的有效值与瞬时最大值的关系是：最大瞬时值有效值。例如，交流市电的有效电压值为220V，它的最大瞬时电压值为

4.相位与相位差

（1）相位

正弦交流电的电压或电流值变化规律与正弦波一样。下面以图1-22所示的正弦交流电来说明相位。

图1-22中画出了交流电的一个周期，一个周期的角度为2π，一个周期的时间为T = 0.02s。从图中可以看出，在不同的时刻，交流电压所处的角度不同，如在t = 0时刻的角度为0，在t = 0.005s时刻的角度为π/2，在t = 0.01s时刻的角度为π。

交流电在某时刻的角度称为交流电在该时刻的相位。如图1-22中的交流电在t= 0.005s时刻的相位为π/2（或90°），在t = 0.01s时刻的相位为π（或180°）。交流电在t = 0时刻的角度称交流电的初相位，图1-22中的交流电初相位为0。

（2）相位差

相位差是指两个同频率交流电的相位之差。下面以图1-23来说明相位差。

图1-23（a）所示的两个同频率交流电流i1、i2分别从两条线路流向A点，在同一时刻，到达A点的i1、i2交流电流的相位并不相同，即两个交流信号存在相位差。

i1、i2电流变化如图1-23（b）所示。当t = 0时，i1的相位为π/2，而i2相位为0；当t = 0.01s时，i1的相位为3π/2，而i2相位为π。两个电流的相位差为（π/2−0）=π/2或（3π/2−π）=π/2，即i1、i2的相位差始终是π/2。在图1-23（b）中，若将i1的前一段补充出来，也可以看出i1、i2的相位差是π/2，并且i1超前i2（超前π/2，也可说超前90°）。

两个交流电存在相位差，实际上就是两个交流电变化存在着时间差。在图1-23（b）中，当t = 0时，i1电流的值为5mA，i2电流的值为0；而当t = 0.005s时，i1电流的值变为0，i2电流的值变为5mA。也就是说，i2电流变化总是滞后i1电流的变化。