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- 2021-05-28 发布
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一:专题概述
交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
物理量
物理含义
重要关系
适用情况及说明
瞬时值
交变电流某一时刻的值
从中性面开始计时
e=Emsin ωt
i=Imsin ωt
计算线圈某时刻的受力情况
峰 值
最大的
瞬时值
Em=nBSω
Im=
讨论电容器的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值
E=
U=
I=
(只适用于正弦式交变电流)
(1)计算与电流的热效应有关的量(如电功、电功率、电热等)
(2)电气设备“铭牌”上所标的一般是指有效值
(3)保险丝的熔断电流为有效值
(4)交流电压表和电流表的读数为有效值
平均值
交变电流图象中图线与时间轴所夹的面积与时间的比值
=BL
=n
=
计算通过电路截面的电荷量
二:典例精讲
典例1:如图所示,边长为L的正方形线圈abdc的匝数为n,线圈电阻为r,外电路的电阻为R,ab的中点和cd的中点的连线OO'恰好位于匀强磁场的边界上,磁感应强度为B.现使线圈以OO'为轴,以角速度ω匀速转动.求:
(1) 闭合电路中电流瞬时值的表达式.
(2) 线圈从图示位置转过90°的过程中电阻R上产生的热量.
(3) 电阻R上的最大电压.
【答案】 (1) sin ωt (2) (3)
(2) 在线框由图示位置匀速转动90°的过程中,用有效值来计算电阻R上产生的热量
Q=I2R·,其中I=,T=.
即Q=I2R·=.
(3) 由部分电路欧姆定律可知电阻R上的最大电压
Um=ImR=.
典例2:如图所示,一个半径为r的半圆形线圈,以直径ab为轴匀速转动,转速为n,ab的左侧有垂直于纸面向里(与ab垂直)的匀强磁场,磁感应强度为B.M和N是两个集流环,负载电阻为R,线圈、电流表和连接导线的电阻不计,求:
(1)感应电动势的最大值;
(2)从图示位置起转过圈的时间内,负载电阻R上产生的热量;
(3)从图示位置起转过圈的时间内,通过负载电阻R的电荷量;
(4)电流表的示数.
【答案】(1)π2Bnr2 (2) (3) (4)
(2)在线圈从图示位置转过圈的时间内,电动势的有效值为E==
电阻R上产生的热量为
Q=()2R·=
(3)在线圈从图示位置转过圈的时间内,电动势的平均值为=
通过R的电荷量q=·Δt=·Δt==
(4)设此交变电动势在一个周期内的有效值为E′,由有效值的定义得·=T,解得E′=
故电流表的示数为I==.
典例3:如图甲所示是一种振动发电装置的示意图,一个半径r=0.10 m、匝数n=20匝的线圈套在永久磁铁槽中,槽中磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右侧视图如图乙所示),线圈所在位置磁感应强度B
的大小均为B= T,线圈的电阻R1=0.50 Ω,它的引出线接有R2=9.50 Ω的小灯泡L,为理想交流电流表.当线圈框架的P端在外力作用下沿轴线做往复运动,便有电流通过灯泡.若线圈往复运动的规律如图丙所示(v取向右为正),则下列判断正确的是( )
A.电流表的示数为0.24 A
B.0.01 s时回路中的电流最大
C.回路中交流电的频率为50 Hz
D.0.015 s时灯泡L中电流的方向为从C→L→D
【答案】CD
三 总结提升
1.交变电流的有效值是根据电流的热效应(电流通过电阻生热)进行定义的,所以进行有效值计算时,要紧扣电流通过电阻生热(或热功率)进行计算.注意“三同”:即“相同电阻”上,“相同时间”内,产生“相同热量”.计算时“相同时间”要取周期的整数倍,一般取一个周期.
注意:在交流电路中,电压表、电流表等电工仪表的示数均为交变电流的有效值.在没有具体说明的情况下,所给出的交变电流的电压、电流指的是有效值.
2.对有效值的理解
(1)交流电流表、交流电压表的示数是指有效值;
(2)用电器铭牌上标的值(如额定电压、额定功率等)指的均是有效值;
(3)计算热量、电功率及保险丝的熔断电流指的是有效值;
(4)没有特别加以说明的,是指有效值;
(5)“交流的最大值是有效值的倍”仅用于正弦交流电。(但当讨论电容器的击穿电压时,要用最大值)
四 提升专练
1.(多选) 某小型发电机产生的交变电动势为e=50sin 100πt(V)。对此电动势,下列表述正确的是( )
A.最大值是50 V B.频率是100 Hz
C.有效值是25 V D.周期是0.02 s
【答案】CD
2.一正弦交变电流的电压随时间变化的规律如图所示。由图可知该交变电流( )
A.周期为0.125 s
B.电压的有效值为10 V
C.电压的最大值为20 V
D.电压瞬时值的表达式为u=10sin 8πt(V)
【答案】B
【解析】由图象可知,交变电流的周期为0.250 s,A错误;电压的有效值U= V=10 V,B正确;电压的最大值为20 V,C错误;电压瞬时值的表达式为u=20sin 8πt(V),D错误。
3.(多选) 如图甲所示,标有“220 V 40 W”的灯泡和标有“20 μF 300 V”的电容器并联到交流电源上,为交流电压表,交流电源的输出电压如图乙所示,闭合开关.下列判断正确的是( )
A.t=时刻,的示数为零
B.灯泡恰好正常发光
C.电容器有可能被击穿
D.的示数保持110 V不变
【答案】BC
【解析】的示数应是电压的有效值220 V,故A、D错;电压的有效值恰好等于灯泡的额定电压,灯泡正常发光,B正确;电压的峰值Um=220 V≈311
V,大于电容器的耐压值,故电容器有可能被击穿,C正确.
4.一个小型电热器若接在输出电压为10 V的直流电源上,消耗电功率为P;若把它接在某个正弦式交流电源上,其消耗的电功率为。如果电热器电阻不变,则此交流电源输出电压的最大值为( )
A.5 V B.52 V C.10 V D.10 V
【答案】C
5.(多选) 如图所示,N匝矩形导线框以角速度ω绕对称轴OO′匀速转动,线框面积为S,线框电阻、电感均不计,在OO′左侧有磁感应强度为B的匀强磁场,外电路接有电阻R和理想电流表,那么可以确定的是( )
A.从图示时刻起,线框产生的瞬时电动势为e=NBωSsin ωt
B.电流表的示数I=NBS
C.R两端电压的有效值U=NBS
D.一个周期内R上产生的热量Q=
【答案】B
【解析】线框始终只有一半面积在磁场中,故瞬时电动势为e=sin ωt,电压有效值为U=NBS,电流表示数I==NBS,A、C错误,B正确.Q=T=,D错误.
6.(多选) 如图,处在垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场中的矩形线框MNPQ,以恒定的角速度ω绕对角线NQ转动.已知MN长为l1,NP长为l2,线框电阻为R.t=0时刻线框平面与纸面重合,下列说法中正确的是 ( )
A. 矩形线框产生的感应电动势有效值为Bl1l2ω
B. 矩形线框转过π时的电流为零
C. 矩形线框转动一周,通过线框任意横截面的电荷量为
D. 矩形线框转过π角度过程中产生的热量为
【答案】ABD
7.(多选) 如图所示的正方形线框abcd边长为L,每边电阻均为r,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕cd轴以角速度ω转动,c、d两点与外电路相连,外电路电阻也为r,则下列说法中正确的是( )
A.S断开时,电压表读数为BωL2
B.S断开时,电压表读数为BωL2
C.S闭合时,电流表读数为BωL2
D.S闭合时,线框从图示位置转过过程中流过电流表的电荷量为
【答案】BD
【解析】电路中产生的感应电动势的最大值为Emax=BL2ω,有效值为E==BL2ω;当S断开时,电压表读数为Ucd=×r=BωL2,A选项错误,B选项正确;S闭合时,电压表的读数为Ucd=I×=×==BL2ω,电流表读数为,C选项错误;S闭合时,线框从图示位置转过过程中流过电流表的电荷量为q=
Δt=··Δt=·Δt==,D选项正确.
8.(多选) 如图所示,边长为L的正方形单匝线圈abcd,电阻为r ,外电路的电阻为R,ab的中点和cd的中点的连线OO′恰好位于匀强磁场的边界线上,磁场的磁感应强度为B,若线圈从图示位置开始,以角速度ω绕OO′轴匀速转动,则以下判断正确的是( )
A.图示位置线圈中的感应电动势最大为Em=BL2ω
B.闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为e=BL2ωsin ωt
C.线圈从图示位置转过180°的过程中,流过电阻R的电荷量为q=
D.线圈转动一周的过程中,电阻R上产生的热量为Q=
【答案】BD
9.如图甲所示为一台小型发电机的示意图,单匝线圈逆时针转动.若从中性面开始计时,产生的电动势随时间变化规律如图乙所示.已知发电机线圈内阻为1.0 Ω,外接灯泡的电阻为9.0 Ω.求:
(1)写出流经灯泡的瞬时电流的表达式;
(2)转动过程中穿过线圈的最大磁通量;
(3)线圈匀速转动一周的过程中,外力所做的功.
【答案】(1)i=0.6sin 100πt (A);(2)2.7×10-2 Wb (3)7.2×10-2 J
10. 如图所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T,边长L=10 cm的正方形线圈abcd共100匝,线圈电阻r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,角速度ω=2 π rad/s,外电路电阻R=4 Ω。求:
(1)转动过程中感应电动势的最大值;
(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°角时的瞬时感应电动势;
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势;
(4)交流电压表的示数。
【答案】(1)3.14 V (2)1.57 V (3)2.60 V (4)1.78 V
【解析】(1)Em=nBSω=3.14 V。
(2)由图示位置计时转过60°角时,瞬时感应电动势
E=Em·cos 60°=1.57 V。
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势
=n=100×=2.60 V。
(4)交流电压表测的是有效值,所以其示数
U==1.78 V。
11. 如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,ab边长l1=20 cm,ad边长l2=25 cm,放在磁感应强度B=0.4 T的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n=3 000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1 Ω,外电路电阻R=9 Ω,t=0时线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边转入纸里.求:
(1)t=0时感应电流的方向;
(2)感应电动势的瞬时值表达式;
(3)线圈转一圈外力做的功;
(4)从图示位置转过90°的过程中流过电阻R的电荷量.
【答案】(1)感应电流方向沿adcba;(2)e=314cos (100πt) V;(3)98.6 J;(4)0.1 C
(3)电动势的有效值E=
线圈匀速转动的周期T==0.02 s
线圈匀速转动一圈,外力做功大小等于电功的大小,即
W=I2(R+r)T=·T
代入数据得W≈98.6 J.
(4)从t=0起线圈转过90°的过程中,Δt内流过R的电荷量:q=Δt==
代入数据得q=0.1 C.
12.图甲是交流发电机模型示意图.在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一矩形线圈abcd可绕线圈平面内垂直于磁感线的轴OO′转动,由线圈引出的导线ae和df分别与两个跟线圈一起绕OO′转动的金属圆环相连接,金属圆环又分别与两个固定的电刷保持滑动接触,这样矩形线圈在转动中就可以保持和外电路电阻R形成闭合电路.图乙是线圈的主视图,导线ab和cd分别用它们的横截面来表示.已知ab长度为L1,bc长度为L2,线圈以恒定角速度ω逆时针转动(只考虑单匝线圈).
图甲 图乙 图丙
(1)线圈平面处于中性面位置时开始计时,试推导t时刻整个线圈中的感应电动势e1的表达式;
(2)线圈平面处于与中性面成φ0夹角位置时开始计时,如图丙所示,试写出t时刻整个线圈中的感应电动势e2的表达式;
(3)若线圈电阻为r,求线圈每转动一周电阻R上产生的焦耳热(其他电阻均不计).
【答案】(1)e1=BL1L2ωsin ωt.(2)e2=BL1L2ωsin(ωt+φ0).(3)
【解析】(1)矩形线圈abcd在磁场中转动时,ab、cd切割磁感线,且转动的半径为r=,转动时ab、cd的线速度v=ωr=,且与磁场方向的夹角为ωt,如图所示.所以整个线圈中的感应电动势e1=2BL1vsin ωt=BL1L2ωsin ωt.
(2)当t=0时,线圈平面与中性面的夹角为φ0,则t时刻时,线圈平面与中性面的夹角为ωt+φ0.
故此时感应电动势的瞬时值:e2=2BL1vsin(ωt+φ0)=BL1L2ωsin(ωt+φ0).