【A-Level 物理】你想要的交流电知识都在这里!

A-level物理考试12道大题中,会有一道Alternating Current的题,这篇文章会在简单介绍完A2部份的交流电后总结出几种题型,帮助大家更好掌握交流电的知识~

 

交流电的来源以及特斯拉和爱迪生之间的恩怨情仇就不多说了,切入正题,首先,交流电是怎么表示的呢?



在这里我们把交流电形容成Sinusoidal Current,因为交流电的变化规律可以用正弦曲线来表示,这是因为产生交流电的转子在定子(磁铁)之间所做的正是简谐运动(Simpleharmonic Motion)。

这张图表示了一个常见的交流电,表示方法就是,如果纵轴是V,也可以是,这里,表示的是峰值,则是转子做间歇运动的角速度,t是时间。

既然交流电中的电压和电流都是持续变化的,那么电功率(Power)是不是也是变化的呢?

答案是肯定的。

举个例子:当你仔细观察电灯泡时,你会发现它是在闪烁的,当然因为频率太高一般不容易发现。既然功率是一直变化的,那么怎么计算平均功率呢,在这里我们引入了一个均方根(Root-mean-square value,简称r.m.s)。

 

Root-mean-square value of an alternating current就是The value of a direct current that delivers the same average power as the alternating current to a resistive load。所以,如果我们知道了均方根,是不是就可以算出平均功率啦?那么均方跟怎么求呢,首先,顾名思义,Root-mean-square就是Root of mean of square,所以先把I平方了,平方后的图像就变成了这样:

 


再取均值,就等于,再根号,就等于,所以呢,.电压的均方根,也是同样的方法计算。平均功率的计算方法,就是,注意这里的V和I都是根均值哦,否则如果取最大值的话,算出来的功率也会是最大值。



以上就是交流电的第一种题型,也就是计算题。要求考生通过给出的电流/电压图像,计算出各自的均方根,平均功率,活着根据均方根来计算出最大电压/电流。

 



涉及到的第二种题型,就是变压器(transformer):


首先,是变压器的原理:如下图,橙色的是电线圈,左边的线圈中通入交流电,使得金属被磁化,产生南北极,当电流方向变化时,南北极也发生变化,这使得右边线圈的磁通量(Magnetic flux)发生变化,根据电磁感应原法拉第定律,磁通量的变化产生感应电动势,其大小与磁通量变化率成正比(为磁通量,N为磁通匝数)。所以,由于磁场的方向是持续变化的,右边线圈中的磁通量也持续变化,由于右边的磁通匝数比左边大,所以产生的感应电压大于左边输入的电压,这样,就可以把低压转换成高压了。




关于变压器的第一种题型,就是计算题。通过线圈缠绕的数量,根据给出的输入电压来算出输出电压。这里需要知道的是在理想状况下,即没有能量损耗,电压之比等于线圈之比。



变压器的第二种题型就会问到关于变压器本身结构的问题,这几年常考的主要有两个问题:


1.      为什么这个Iron core is laminated?-To reduce eddy current so as to reduce energy loss.

2.      为什么要用变压器?-Forthe same power➡️higher voltage➡️lower current➡️less energy loss(thermal)

这里只给大家答题的思路,具体的还是要自己组织~




考到变压器,一般都会让大家state Faraday’s law of electromagnetic induction,所以这个一定要牢记!

 



第三个考点就是整流(rectification)


先来介绍一下,整流就是把输出的交流电变成直流电的过程,就是把sin图像横轴以下的部分给去掉。整流分为两种:



第一种就是半波整流,顾名思义,图像上只剩下了半个波,负方向的电流因为二极管的存在被消除了。

第二种是全波整流(full-waverectification),这里利用了四个二极管,使得输入的电流无论是哪个方向,都会以一个方向通过电阻R。

整流怎么考呢,一般会给你上图中左边的图像,让你画出右边的图像。或者根据右边的图像,补充不完整的左边的图像。要点就是判断对电流通过电阻R的方向。


还会考到全波整流与半波整流相较有什么优点。大家想啊,半波整流把一半的电流都给整没了,那功率岂不是小了一半,那么能量也就少了,所以全波整流的优点就是1.More output power available 2.Less ripple for the same smoothing capacitor.


第二条是什么鬼啊!这就是最后一个知识点——smoothing.


The idea is that the capacitor charges up and maintains the volt age at a highlevel. It discharges gradually when the rectified volt age drops, but the volt age soon rises again and the capacitor charges up again.


将一个电容与电阻R并联,这是的电压在变小的时候,电容释放电荷为电阻提供电压,所以电压的变化幅度(右图上显示)就会变小。注意,全波整流也可以通过此方法来减小幅度。此部分考点一是让你画出smoothing以后的图像,二是问你如何improve smoothing,答案就是使用capacitor with larger capacity or resistance with larger R so that the capacitor discharges more slowly.

 


以上基本就是A2物理交流电的全部考点了,祝大家学习愉快~

声明:本文为CrazyAlevel原创,抄袭必究。投稿请联系微信summeralevel

英国初高中课程辅导全面开班

🔥🔥🔥

爱德思/OCR/AQA/CIE

数学/物理/化学/经济/生物/英语

GCSE/IGCSE/A-Level辅导

保A班/罗素大学计划班

小班/1V1授课

 

PS

我们还有每周免费答疑和全年辅导课程!


戳阅读原文求试听,或加主页君微信summeralevel详细咨询

   点击“阅读原文”解决A-Level一切问题