交流電簡介

交流電（英文：AlternatingCurrent，簡寫AC）是指大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流，因為周期電流在一個周期內的運行平均值為零，稱為交變電流或簡稱交流電。英文簡寫為AC。不同直流電，其方向都是一樣。通常波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。但實際上還有應用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。

折疊交流電力傳輸

交流電被廣泛運用于電力的傳輸，因為在以往的技術條件下交流輸電比直流輸電更有效率。傳輸?shù)碾娏髟趯Ь€上的耗散功率可用P= I2R（功率=電流的平方×電阻）求得，顯然要降低能量損耗需要降低傳輸?shù)碾娏骰螂娋€的電阻。由于成本和技術所限，很難降低目前使用的輸電線路（如銅線）的電阻，所以降低傳輸?shù)碾娏魇俏ㄒ欢矣行У姆椒?。根?jù)P=IU（功率=電流×電壓，實際上有效功率P= IUcosφ），提高電網(wǎng)的電壓即可降低導線中的電流，以達到節(jié)約能源的目的。

而交流電升降壓容易的特點正好適合實現(xiàn)高壓輸電。使用結構簡單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千至幾十萬伏特，從而使電線上的電力損失極少。在城市內一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬至幾千伏以保證安全，在進戶之前再次降低至市電電壓（中國、香港220V）或者適用的電壓供用電器使用。 一般使用的交流電為三相交流電，其電纜有三條火線和一條公共地線，三條火線上的正弦波各有120°之相位差。對于一般用戶只使用其中的一或兩條相線（一條時需要零線）。

近年來直流變壓及輸電技術取得了長足的發(fā)展，而高壓直流輸電的浪費會比較??；因此未來有望取代交流電以解決交流電的安全性和交直流轉換問題。

交流電傳輸過程詳解

我們得從電子與電荷講起。電流是電荷的流動，而不是電子。電子是特指一種實物粒子，它可能圍繞原子運轉，也可能處于游離態(tài)；而電荷是一個抽象概念，泛指帶電粒子，可能是失去了電子的粒子，帶正電，也可能是得到了電子的粒子，帶負電。

電荷具有的勢能稱為電勢，也就是電荷從一處向另一處移動的趨勢，比如法拉弟告訴我們：導體切割磁感線時會就在導體上產生流動的電荷。見下圖，一根與手掌四指方向平行的金屬棍沿姆指方向穿過磁場，兩端之間就會產生電勢：

人們一般用電壓來衡量電勢的大小，單位是伏特。電壓也稱為電位差，類似于高差。電位差也有正負，高處相對于低處是正，反之為負。比如干電池的正極相對于負極是+1.5V，負極相對于正極是-1.5V。

那么交流電是怎么回事呢？這又得從交流發(fā)電機說起了。我們知道電磁式發(fā)電機的基本原理是利用機械能使線圈在磁場的兩極間轉動；當線圈轉動時線圈切割磁感線，推動電荷移動產生電壓。見下圖：

由于線圈的運動呈周期性，在一個周期內以兩個不同的方向（對于線圈的一邊來說）穿過磁場，電荷的運動方向完全相反，因此其產生的電壓呈正弦波形，如下圖所示：

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為了簡化機械結構，發(fā)電機一般設計為磁心在線圈中間轉動。也就是說讓磁場轉動而不是線圈，下圖所示為一個線圈和磁心的結構：

由于大型磁鐵轉子的加工成本非常高，穩(wěn)定性不佳，且難以控制磁場強度，因此轉子一般用電磁鐵來實現(xiàn)。也就是用電流通過鐵心上的繞阻來產生磁場，這種機制稱為“勵磁”。下圖為一個實際的多極發(fā)電機的結構示意圖：

為了最大化發(fā)電效率，一般要在發(fā)電機中按裝三個線圈，這三個線圈兩兩呈120度夾角分布。注意上圖中紅色、綠色和黃色的三條線就是三個線圈，中間青色的是鐵質轉子，前面銅色的是繞阻，用來產生磁場。發(fā)電機工作的具體原理比較復雜，也不在本文的討論范圍之內，因此就不細講了。

由于每個線圈都有兩端，發(fā)電機工作時電荷就會在這兩端之間往復移動，形成前述的正弦波形電壓。如果在這兩端接上燈泡，就形成了電流回路。無論電路中電流的方向如何，經(jīng)過鎢絲（電阻）時都會做功產熱，燈也就亮了。電爐、電曖氣都是此原理。

電動機的原理與發(fā)電機正好相反，是利用正弦波電流產生不斷變換方向的磁場，推動磁芯轉子轉動。電子類用電器情況就更復雜了，一般首先會經(jīng)過直流電源將交流電轉換為直流電再輸送給電子器件。這個交/直轉換的過程比較復雜，有興趣的同學可以參見這篇貼子：【火眼金睛 教你看懂電源內部用料（原創(chuàng)）】。

為了節(jié)省發(fā)電機成本和輸電線材，發(fā)電機中的三個線圈的一端會連在一起，一般為Y型連接，這一端稱為中性線。在上面的發(fā)電機結構圖中可以看到三個線圈的一端分別接到了藍色的中性線上，而三個線圈的另一端就成為了發(fā)電機的三項輸出端。輸出的三條波型如下圖（b）所示。

中性線的電位也就是三條正弦波的平均值，即一直為零。此時雞賊的同學會跑來質問我：這三相的一端擰在一起了，那它們的電荷是怎么移動的？嗯，這個問題看了動圖就明白了，請看：

http://zh.wikipedia.org/wiki/File:3-phase_flow.gif

上圖中左邊的三個線圈分別帶動右邊的三個電阻（用電器），不同顏色的圓點就帶表電荷在不同回路上的運動方向。可以看到，每條回路的電流方向都是呈周期變化的。其實用這三個輸出端的任意兩端連接在電阻（用電器）上都可以形成回路。

上述只是一個非常簡單的模型，與實際情況還是存在較大差異的。特別雞賊的同學就會發(fā)現(xiàn)問題：如果按照那幅動圖來說，輸送到家里的兩根線應該都是火線，只是相位不同罷了，可實際完全不是這么回事嘛！

為了解釋這個問題，就要扯到供電網(wǎng)的結構了，先說一下什么是接地。地球可以認為是一個非常良好的導體，接地就是把電荷引向大地。通常將大地作為標準零電位，那么接地的部分的電位也是零。下圖是一個接地極：

接下來看從發(fā)電廠到變電站的輸變電結構圖：

上圖中三根紅線就是發(fā)電機出來的三相輸出，分別是A相，B相和C相。在左邊的發(fā)電機中三個線圈的一端擰在一起，連到一根中性線（中線）接地。

變壓器的輸出線圈也有三個輸出端，圖里只畫了一根火線L。如果是居民用電單位，比如有一個樓的三個單元共用一個變電站，往往會將三根火線分別送給這三個單元。對于每個住戶，輸入一根火線（相線）、一根中性線，有時還會加一根地線，這種輸電方式稱為單相兩線制或單相三線制。下圖的插頭是單相三線到單相兩線的轉換插頭，內部的地線懸空不接。

如果用電單位是工廠，那可能會將三根火線和一根中性線一并輸送，稱為“三相四線制”，再加一根地線稱為“三相五線制”。當然也有一些小區(qū)會將三根相線都送入住宅，用于驅動空調等大型用電器。下面是一個常見的家用三相四線插座/插頭，最下面一個孔是中性線。

通向所有的用電單位的零線都連接在變壓器輸出線圈的另一端，并連接至大地。這條線也稱為中性線，其電位與發(fā)電機的中性線同樣為零，因此人們通常稱為零線。

從理論上講發(fā)電廠的中線和變電站的中性線是可以不接地的，但是當變電站輸出的三相負載不均衡時，中性線的電位就不為零，此時就需要將電荷導向大地，以保證用戶端的零線電位接近于零。

那這樣就非常清楚了，我們平時用的電都只是發(fā)電廠輸送過來的三相中的一相而已，而零線實際就等于發(fā)電機的中性線。如果只討論原理我們可以這樣認為：電荷就是在火線和零線間往反運動，帶動用電器做功。
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直流電簡介

“直流電”（Direct Current，簡稱DC），又稱“恒流電”，恒定電流是直流電的一種，是大小和方向都不變的直流電，1747年，美國的富蘭克林根據(jù)實驗提出電荷守恒定律，并且定義了正電和負電的術語。

直流電的傳輸過程

恒定電流是指大小（電壓高低）和方向（正負極）都不隨時間（相對范圍內）而變化，比如干電池。脈動直流電是指方向（正負極）不變，但大小隨時間變化，比如：我們把50Hz的交流電經(jīng)過二極管整流后得到的就是典型脈動直流電，半波整流得到的是50Hz的脈動直流電，如果是全波或橋式整流得到的就是100Hz的脈動直流電，它們只有經(jīng)過濾波（用電感或電容）以后才變成平滑直流電，當然其中仍存在脈動成分（稱紋波系數(shù)），大小視濾波電路的濾波效果。電路分析

甲直流電路的電路 ，由恒定電壓 ，恒定電流源， 電阻器的任何組合。 在這種情況下，該電路的電壓和電流與時間無關。 一個特別的電路的電壓或電流不依賴于任何電路的電壓或電流的過去值。 這意味著，該系統(tǒng)的方程表示一個直流電路不涉及相對于時間的積分或衍生物。 如果一個電容器或電感器被添加到一個直流電路，由此產生的電路不，嚴格來說，DC電路。 然而，大多數(shù)這樣的電路有一個DC解決方案。 此解決方案使電路的電壓和電流時，電路在直流穩(wěn)定狀態(tài) 。 將這樣的電路由一個系統(tǒng)的微分方程表示。 解決這些方程通常包含一個隨時間變化的瞬態(tài)部分以及不變或穩(wěn)定狀態(tài)的一部分。 正是這種穩(wěn)定狀態(tài)的一部分，這是DC解決方案。 有一些電路不有一個DC解決方案。 兩個簡單的例子是一個恒定電流源，連接到一個電容和一個電感器連接到一個恒定電壓源。 在電子學中，它通常指由一DC電壓源（例如電池）或作為直流電路的直流電源的輸出，即使是，該電路是直流供電的電源電路。

直流電所通過的電路稱直流電路，是由直流電源和電阻構成的閉合導電回路。在該直流電路中，形成恒定的電場。在電源外，正電荷經(jīng)電阻從高電勢處流向低電勢處，在電源內，靠電源的非靜電力的作用，克服靜電力，再從低電勢處到達高電勢處，如此循環(huán)，構成閉合的電流線。所以，在直流電路中，電源的作用是提供不隨時間變化的恒定電動勢，為在電阻上消耗的焦耳熱補充能量。

與交流電區(qū)別

交流電，（市電）是指大小和方向隨時間作周期性變化的一種電流。

交流電是用交流發(fā)電機發(fā)出的，在發(fā)電過程中，多對磁極是按一定的角度均勻分布在一個圓周上，使得發(fā)電過程中，各個線圈就切割磁力線，由于具有多對磁極，每對磁極產生的磁力線被切割產生的電壓、電流都是按弦規(guī)律變化的，所以能夠不斷的產生穩(wěn)定的電流。國內交流電的頻率一般是50赫茲，即每秒變化50次。有些國家交流電的頻率是60赫茲，即每秒變化60次。當然也有其它頻率。如電子線路中有方波的、三角形的等，但這些波形的交流電不是導體切割磁力線產生的，而是電容充放電、開關晶體管工作時產生的。

直流電的方向則不隨時間而變化。通常又分為脈動直流電和穩(wěn)恒電流。脈動直流電中有交流成分，如彩電中的電源電路中大約300伏左右的電壓就是脈動直流電成分可通過電容去除。穩(wěn)恒電流則是比較理想的，大小和方向都有不變。
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