1.3 直流电与交流电

1.3.1 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）所示的图形符号表示。直流电的电流总是由电源正极流出，再通过电路流到电源负极。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和灯泡流到电源负极结束。

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t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大小随时间作波动变化（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t轴上方，表示电流的方向始终不变。

1.3.2 交流电

交流电是指方向和大小都随时间作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，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）所示的交流电路为例来说明图1-19（c）所示的正弦交流电波形。

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，电流逐渐增大在图1-19（c）中用波形逐渐上升表示，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：交流电源上正→电阻R→交流电源下负，但电流I逐渐减小，电流逐渐减小在图1-19（c）中用波形逐渐下降表示，t2时刻电流为0A。

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t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，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的电压极性仍为上负下正，电流仍是反方向，电流的方向是：交流电源下正→电阻R→交流电源上负，电流反方向逐渐减小，t4时刻电流减小到0A。

t4时刻以后，交流电源的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为例来说明。

（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T为0.02s，说明该交流电每隔0.02s就会重复变化一次。

（2）频率

交流电在每秒钟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（Hz）。图1-20所示交流电的周期T为0.02s，那么它的频率f=1/T=1/0.02s=50Hz，该交流电的频率f=50Hz，说明在1s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。

（3）高频、中频和低频

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、中频和低频信号的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、中频和低频还是一个相对概念，在不同的电子设备中，它们的范围是不同的。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，525～1 605kHz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；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，为此引入有效值的概念。下面以图1-21所示电路来说明有效值的含义。

图1-21所示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压时刻变化，但它的效果与220V直流电是一样的。如果没有特别说明，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最大瞬时值的关系是

如交流市电的有效电压值为220V，它的最大瞬时电压值=。

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，为了分析方便，将正弦交流电放在图1-22所示的坐标中。

图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，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。图1-22中的交流电在t=0.005s时刻的相位为（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。如图1-23（a）所示，两个同频率的交流电流I1、I2分别从两条线路流向A点，在同一时刻，到达A点的交流电流I1、I2的相位并不相同，即两个交流信号存在相位差。

电流I1、I2的变化如图1-23（b）所示，在t=0时刻，I1的相位为，而I2的相位为0°，在t=0.01s时，I1的相位为，而I2的相位为π，两个电流的相位差为，即I1、I2的相位差始终是。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，并且I1超前I2（超前，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，在t=0时刻，电流I1的值为5mA，电流I2的值为0mA；而到t=0.005s时，电流I1的值变为0mA，电流I2的值变为5mA；也就是说，电流I2的变化总是滞后电流I1的变化。