怎样理解交流电？ 第1页

首先，我们来看看什么是电流的方向。我们看图1：

图1的左上图是直流电路，右上图是直流电路的电压和电流。

我们看到，直流电压和直流电流随着时间变化它们不会发生改变。电流的方向在电池内部是负极指向正极，在外电路电流的方向则从电池正极指向电池负极。从图中看，正好是从上往下。

再看图1右上图的电压波形和电流波形，我们发现随着时间的推移，电压U和电流I不会发生任何改变。

现在，我们来看图1的左下图：我们看到图中的电源已经换成了交流电源。注意到标明电流方向的图符不见了。

我们看图1的右下图：现在电压u波形和电流i波形与直流电路电压、电流波形完全不同了。不同点在于：

第一：电压u的波形和电流i的波形按时间变化发生周期性变化。我们看到，在0毫秒时电压和电流为零值，5毫秒时电压和电流达到最大值，10毫秒时返回到零值。再往后，电压和电流就要转换方向了，在15毫毫秒时电压和电流达到反方向的最大值，在20毫秒时电压和电流为零值；25毫秒时电压和电流再次取正方向的最大值。

我们看图2：

图2的1图中，我们看到电源电压E的值不断地降低，从4一直降低到0，历时4秒。

注意：虽然直流电压的大小发生了变化，但直流电源的电流方向并未发生变化，我们看到电流依然从电池的负极流向正极，而外电路的电流方向依然是电池正极流向电池负极。

我们定义，此时的电流方向为正方向。

再看图2的2图，这里电池更换了方向，原先的负极变正极，而原先的正极变负极。注意看2图右侧的波形图，并且与图1右上图作比较，我们发现它们正好对称。

这说明，图2的2图电流方向发生了改变，电流变成了负方向。

现在我们再来比较图1右上图和图2下图的电流大小：我们看到这两个电流正好关于横坐标对称，一个取正值，一个取负值。不过，它们的大小并未发生变化，它们到横坐标的距离是一样的。也就是说，这两个电流的绝对值是一样的。

我们再来看看图2的1图波形，我们能很清晰地看到它出现了大小的变化。也就是说，曲线各点相对横坐标的距离发生了变化。

有了这些认识，我们就可以讨论交流电了。

第一：交流电的大小和方向会发生周期性变化

我们看图3：

有了以上的说明，我们很容易看出，交流电的波形的确存在大小变化和方向变化。并且，这些变化是周期性的。

何以如此？这与发电机发电有关。发动机的励磁磁通方向是固定的，发电机的转子绕组在切割磁力线时产生了感应电流，此感应电流就是交流电。并且，感应电流是以正弦波的形式出现的。

关于发电机的简单原理和描述，请题主参考相关说明。这方面的内容多得无以计数，很容易找到。

我们再看图3，我们发现，图3中的交流电电压和交流电电流是以20毫秒为周期发生变化，也即它的周期T=20ms。于是在1秒钟内，变化的次数是： ，也即交流电的频率f为50赫兹。

再看交流电压的最大值，我们用Um来表示。对于220V交流电压来说，Um=311V。所以，交流电压就在+311V与-311V之间发生周期性变化。

第二：交流电的有效值

交流电的有效值，是一个容易迷惑人之处。我在某所中学里听过学霸分析交流电，他说交流电就是把+220V和-220V的直流电源拼在一起构成的。如下：

这位中学学霸的回答当然是错的。

我们看图4：

图4的上图中，我们看到了直流电源Edc，还有负载电阻R。我们把R密封在一个保温箱内，然后通电。若所流过的电流是I，则在一定时间t内，保温箱内的热量为： 。

图4的下图中，我们看到了交流电源Eac，以及与直流系统完全一致的负载电阻R，还有完全相同的保温箱。类似地，我们把电阻R密封在保温箱内，然后通电，电流为i。若在相同的时间内，我们发现它的热量Qac与Qdc完全相同，也即： ，则我们定义：直流电流I是交流电流i的有效值。

由欧姆定律，我们知道电压等于电流乘以电阻，由此我们又可以推得交流电压的有效值。

至此，我们可以写出完整的交流电压、交流电流的表达式了。如下：

，交流电流表达式

，交流电压表达式

这里的 是角频率， 。

这两个式子中出现了 ，它们从何而来？我来简单说明一下：

我们把热量Q的表达式中去掉时间t，就是发热功率。于是交流电流的发热功率为：

因为 ，代入到上式中，得到：

注意到余弦项，即使波形的频率增加一倍，但余弦项的平均值是零。因此交流电源传递给负载的平均功率只需要考虑上式的第一项即可。也即：

由此得到： ，或者 ，交流电流有效值和交流电流最大值间的关系。

以及： ，或者 ，交流电压有效值和交流电压最大值间的关系。

有了交流电的有效值，我们在计算交流电时，一旦涉及到发热和功率计算时，就完全可以依照直流电流的计算方法来计算，十分方便。

第三：认识交流电线路与直流电线路的区别

我们看图5：

我们来计算直流电路中A点和B点的电压。

A点的电压为：

那么B点的电压为多少呢？

事实上，我们看到在电池负极有接地符号，就知道此点的电压为零，所以B点的电压为零。

直流电源负极的接地符号叫做参考地，它为全电路提供了零电压的参考点。

再看交流电路，我们已经知道，A点的电压有效值也是183.3V，但B点的电压又该是多少？

注意看交流电路的接地符号，与直流电路不同。此符号表示该接地点属于工作接地和保护接地，并且，它需要真正的接大地。

可以看出，交流电路的接地与直流电路的接地无论从概念还是实际做法，有了很大的区别。

工作接地：类似于直流电路的零电位参考点，不过这里的零电位是大地电位。

保护接地：用于保护人身安全，防止电击事故。

我们来仔细探讨一下交流电路的接地，以及零线和中性线的概念和意义。

1.交流电路存在接地系统

所谓接地系统，指的就是交流电源的工作接地，以及用电设备外壳的保护接地。

我们看图6：

在图6中，我们看到了电力变压器，以及它的低压侧绕组的中性线N。我们看到，中性线N在变压器外部直接接地，然后送往用电设备。接了地的中心线叫做PEN线，它就是大名鼎鼎的零线。

我们看到，相线和零线一同被引至用电设备，用电设备的外壳同时也接到零线上，这叫做保护接零。

这样做的目的何在？因为零线的电位接近地电位，所以用电设备的外壳连接了零线后，就能保持为地电位。

图6中，我们看到L1相带了两台用电设备，因此系统的三相是不平衡的。如果在图示处零线断裂，则断裂点后部的零线因为三相不平衡的原因，电压会上升，最高会升至220V相电压。

图6叫做TN-C接地系统。

由于TN-C接地系统的问题较多，目前使用很少了。

我们看到，交流电路与直流电路的本质不同：直流电路不存在接地系统，而交流电路必须存在接地系统。

图7是TN-S接地系统：

与TN-C不同，在TN-S下，变压器的中性线直接接地，然后分开为中性线N和地线PE，再加上相线一同引至用电设备。如此一来，即使N线断裂，用电设备的外壳依然保持为地电位，确保了人身安全。

在TN-S下，变压器中性线直接接地叫做系统接地，用电设备的外壳接PE叫做保护接地，两者缺一不可。

2.交流电路的线制

线制，指的就是“X相X制”，它也是交流电路区别于直流电路的特征之一。

在交流电路中，规定有电流流过的是“线”，否则就不能算“线”。因此，对于TN-C来说，它是三相四线制；对于TN-S来说，它也是三相四线制，而不是所谓的“三相五线制”。

三相五线制其实是不存在的，因为PE线在平时并没有电流流过。

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我发现，这个帖子再写下去，会越写越多。

例如交流电的短路特征、交流电的长线效应、交流电的电弧特性、交流电的电磁特性、交流开关电器与直流开关电器异同等等。

事实上，从交流电的这些运用知识中，我们能非常深刻地看到直流电与交流电的不同，而且能看到许多有趣的物理现象，以及最新的电气科技发展。

然而，一方面题主并没有这些要求，再者，这个帖子也无法容纳如此多的内容，帖子就此结束吧。