探索奥秘的正弦交流电

赵树杰

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赵树杰

辽宁省丹东市鸿运职校

     正弦交流电波形在座标上以零点分正负极性，电位零点的参考点就是大地，一般认为一个周期内是极性变化，没有注意到±半周的电流运动方向变化，正半周零值至最大值、最大值至零值也可因为是极性变化(楞次定律试验)。试验中对500伏10微法无极电容器多次充放电，记录的正弦交流电压瞬间变化数据，对数据分析结论是电容电流在一个周期内充、放、充、放变化四次。无极性电容器在交流电路一个周期充电和放电过程，同时也反映出周期内电流产生的磁场，根据楞次定律试验证明正半周充电产生N极磁场、放电产生S极磁场、负半周充电产生N极磁场、放电产生S极磁场的变化规律。对这个变化的物理量需要我们从新深入认识正弦交流电。

关键词:

自感现象、正弦交流电、楞次定律、能量守恒定理

  1，正弦交流电的波形图分析 正弦交流电是指方向和大小都随时间作周期性变化的电流或电压，这里指的方向是正半周和负半周，大小变化也就是绝对值的变化。正半周电流从零值到最大值（0―π/2）再从最大值到零值（π/2―π）交流电流变化是大小变化也是方向变化，我因为这是交流电流很重要的物理量。根据奥斯特的电流磁效应理论，正弦交流电流在一个周期内相对应产生四次磁极变换的磁场。电流的周期波形有正半周和负半周极性的改变，正半周电流上升段运动方向是0―π/2、正半周电流下降段运动方向是π/2―π、负半周电流上升段运动方向是π―3π/2、负半周电流下降段运动方向是3π/2―2π电流的运动方向改变。根据奥斯特的电流磁效应理论，相对应产生的磁场也应该隨着电流的变化而变化，电流产生的磁场按照以上规律每个周期内有四次变化每次变化90度。按照这个规律电容器在每个周期内0―π/2充电、π/2―π放电、π―3π/2充电、3π/2―2π放电每次也是90度变化，每个周期内电容电流有四次变化，产生的磁场相对应着电容电流的变化而变化。电感线圈在交流电路中与电容器一样“充放电”但方向相反(电感线圈“充电”是交变磁场切割电感线圈电磁感应现象)。再次证实正弦交流电周期内产生四次磁极变化规律。

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  图1

2，楞次定律
   1833年, 楞次 在概括了大量实验事实的基础上,总结出一条判断感应电流方向的规律，称为楞次定律

楞次定律实验的示意图2

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                                    图2

  试验分析：

（1）当磁铁条磁极改变时，线圈感应电流的方向同时改变。图2（丙）磁铁条S极插入线圈时检流计指示电流正方向和（甲）磁铁条N极插入线圈时检流计指示电流负方向。

（2）当磁铁条的运动方向改变时，线圈感应电流的方向同时改变。 图2（甲）磁铁条N极插入线圈时检流计指示电流负方向，图2（乙）磁铁条拔出线圈时检流计指示电流正方向，磁铁条运动方向改变线圈电流指示方向也同时改变。

结论：

   磁铁条的运动方向的改变和磁铁条磁极性的改变产生的现象是一样的。根据奥斯特的电流磁效应理论，磁场能产生变化的电流，变化的电流也一定能产生变化的磁场。根据楞次定律电流的运动方向改变产生磁场的极性也能改变，电流极性的改变产生的磁场极性也应同时改变。如果流过线圈的电流是正弦交流电，电流的极性改变和电流的运动方向改变，产生的磁场相对应着电流的变化而变化，线圈电流产生的磁场极性每个周期内有四次变化每次变化90度，完全符合楞次定律如图2所示的四种状态，也能反映出磁场或电流变化过程。

3，交流电路中的电容和电感线圈特性

自感现象是一种特殊的电磁感应现象，是由于线圈导体本身电流(交流电流)发生变化，引起线圈自身产生的磁场(交变磁场)变化，而导致其线圈自身产生的自感电动势与电源电压相位差90度如图3。

       电压波形          电流波形

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                                       图3

  正弦交流电路中的电容器正半周充放电和负半周充放电，在一个周期内两次充电两次放电可以证明电容电流在一个周期内变化四次。根据奥斯特的电流磁效应理论，电容电流产生的磁场极性在一个周期内也应变化四次。正弦交流电路中的电容器电流称容性无功电流，在正弦交流电路中可以补偿电感线圈的感性无功电流，可以确认在正弦交流电路中的电感线圈在一个周期内也出现“两次充电两次放电”，充电电流和放电电流与电容器周期内充电电流和放电电流相位相反。电感线圈感性电流产生的磁场极数在一个周期内也变化四次。证明正弦交流电路中的容性电流、感性电流、阻性电流，相对应产生的磁场极数在一个周期内同样变化四次。

结束语:   

  综上所述:本文对正弦交流电的从新认识，正弦交流电流在一个周期内产生的磁场极性变换四次每次变化90度，我认为这是很重要的物理量。荷兰物理学家洛伦兹讲过一句名言，物理学研究的目的就在于寻求简单的、可以说明所有现象的基本原理 。

试验报告

试验课题:

1、正弦交流电路中电容器在一个周期内正半周一次充、放电贠半周又一次充、放电。

2，根据奥斯特的电流磁效应理论，在一个周期内电容器充放电电流产生的磁场强度，磁场极性相对应电容器充、放电的电流而变化。

试验仪器:

500伏10微法无极电容器一个，220伏正弦交流电源，二相空气开关一个，数字万用表。

试验步骤:

(1)电路图  

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  （2）二相空气开关控制电源给无极电容器充电，无极电容器充电后断开空气开关，用数字万用表1000伏直流电压挡测量无极电容器两端电压。测量后再次合上空气开关给电容器充电，再次断电测量，每次表笔和测量点不变记录数据正负值，经过几十次记录测量数据后分析，电容器充电压有正值、负值、零值、最大值±311伏（00―π/2，π―3π/2）。没有出现大于±311伏的电压(π/2―3π/2)波峰到波谷的电压值（波峰到波谷方向是一样的，但是这一段波形在座标上以零点分正负极性）试验证明一个周期内电客电流0﹣90度正极充电、90﹣180度放电、180﹣270度负极充电、270﹣360度放电。

试验结论：

(1)无极性电容器在交流电路一个周期充电和放电过程，反映出交流电压（电流）周期内瞬时变化规律，同时也反映出周期内电流产生磁场的瞬时变化规律。

(2)正弦交流电正半周和负半周的电压值分正极和负极。正半周的零值至最大值、最大值至零值变化方向变化，相对比较也可以认为是极性变化。

(3)所以一个周期内有正负极变化也有零值至最大值、最大值至零值的变化，它们的多极变化增加了理解正弦交流电的难度。
5 d* m$ L; e0 q. N! C' H8 d3 x(4)分析正弦交流电周期变化过程，对电磁感应的自感现象和互感现象致关重要。是正弦交流电很重要变化的物理量。正弦交流电一个周期内电流极性或方向变化，产生的磁场一定和电流的极性与电流运动方向有关联。

（5）试验简单真实、可重复性。

参考文献：
' n; O, G/ a" Q- v(1)360百科全书
. N7 c) ]" e8 c7 G$ l' e2 F5 d( }(2)物理学家张首晟,，如果世界末日来临，我会带这几句话上诺亚方舟（研习社演讲）2016年4月9日

(3)周绍敏《电工基础》2006年高等教育出版社

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