交流电(AC)与直流电(DC)

雷击!

  你知道澳大利亚摇滚乐队AC/DC是依据什么取他们乐队的名字吗?是交流电流和直流电流么?当然!交流和直流均是电路中的电流流动的描述类型。在直流(DC)电路中,电荷(电流)只沿着一个方向流动。另一方面,在交变(AC)电路中,电流(电荷)呈周期性变化的方向。由于电流改变方向,交流电路中的电压也呈周期性地逆转。

  大多数的数字电子产品使用直流电流进行研究(DC)。然而,了解一些交流的概念也是十分重要的。大多数家庭都是使用交流电路,所以如果你打算将你的TARDIS音乐盒项目与一个插头连接,你需要将交流电流(AC)转化为直流电流(DC)。而交流电也有一些有用的特性,例如交流电能够使用单组分(如变压器)转换电压水平,这就是交流作为长距离传输电力的主要手段的原因。

在此你将学到:

  • 交流和直流背后的历史
  • 产生交流和直流的不同方式
  • 交流和直流的某些应用实例

交流电(AC)

  交流描述电荷流动方向周期性变化。而电压等级也随着电流的周期性变化而变化。交流电一般用来提供如房子,办公楼等建筑的电力。

产生交流的方式

  交流可以使用一种叫做交流发电机的装置产生。该装置是一种设计于产生的交流电的特殊类型的发电机。

  导线圈在磁场中旋转,产生沿着导线的感应电流。线圈可通过各种不同的方式旋转:如风轮机,蒸汽轮机,流水等等。因为线旋转进入一个不同的磁场极性具有周期性,电线上的电压和电流也呈周期性变换。

  交流电的产生可以类比于我们以前的水模拟实验:

  为了在一组水管中产生交流,我们将一个机械曲柄连接到一个活塞上,使管子的水来回移动(我们的“交流电”)。应注意的是不管水流方向如何,管的夹紧部分仍然提供水流的阻力.。

波形

  交流会以许多种形式,只要电压和电流的是交替的便可称为交流。如果我们把示波器与交流电路连接起来并随着时间绘制电压,我们可能会看到许多不同的波形.。最常见的交流方式是正弦波。大多数家庭和办公室里的交流电有一个产生正弦波的振荡电压.。

  交流电的其他常见的形式包括方波与三角波:

  方波常被用在数字和开关电器来测试他们的操作。

  三角波在声音的合成和测试线性电子元件(如放大器等)是十分有用的。

对正弦波的描述

  我们经常用数学术语来描述交流波形.。对于这个例子,我们将使用一般正弦波。正弦波有三个部分:振幅、频率和相位.。

  若只看电压,我们可以将其描述为一个正弦波的数学函数:

  V(t) 是电压关于时间的函数,这意味着我们的电压的变化随着时间的变化。该方程的等号右边是描述电压随时间发生怎样的变化。

  VP是振幅表示正弦波可以达到任一方向的最大电压。这意味着电压可以取-VP到+VP之间的任意数值。

  sin()功能表明我们的电压将以正弦波的形式在0V左右平稳振荡。

  2π是一个常数,将频率从周期(赫兹)转化为角频率(弧度/秒)。

  f表示正弦波的频率。以赫兹或单位每秒的形式给出。频率告诉我们某个特定波形(在这种情况下,一个周期的正弦波即一个上升和下降过程所需时间)在一秒钟内发生多少次变化。

  t是因变量:时间(以秒为单位)。随着时间的变化,波形亦随之发生变化。

  φ描述的正弦波的相位。相位是测量波形相对于时间的偏移量的量度.。它通常被视为0和360之间的数字,并以度数来衡量.。由于正弦波的周期性,如果波形被360°移动,它又变成同一波形,好像没被移动过一般。为了简单起见,我们假定该教程的初始值为0°。

  我们可以把我们现实生活中的AC波形的工作作为的一个很好的例子来研究。在美国,提供给家庭的电力是由零到峰值(振幅)大小为270v,60Hz(频率)的交流电。我们可以把这些数字在我们的公式得到的方程(记住,我们假设初始值为0):

  我们可以用便利的图形计算器画出这个方程的图形。如果没有图形计算器是我们可以使用一个免费的在线绘图程序Desmos(注意,你可能要使用“y”替代式中的“v”才能看到图形)。

  请注意,正如我们预测的,电压在+170V到-170v之间发生周期性变化。此外,如果我们用示波器测量我们的插座的电压,我们所看到会是正弦波每秒发生60个周期的变化。(警告:不要试图用示波器测量插座的电压!这可能会损坏设备)。

  注意:您可能已经听说,在美国的交流电压是120V。这也是正确的。为何?当我们讨论交流电时(因为电压不断变化),使用平均值或中间值会比较简单。要做到这一点,我们使用的方法称为“均方根”(RMS)。当你计算电能时,使用交流电压的RMS值通常是有帮助的.。尽管如此,在我们的例子中,我们的电压从-170V到+170V变化,但它的均方根为120V RMS。

应用

  家里和办公室的网点几乎都是交流,这是因为交流电的生成和长距离输送是比较容易的。在高电压状态下(超过110kV),电力传输的能量损失小。高的电压意味着较低的电流,较低的电流意味着较少的热量产生在电力线上,而这一切均取决于传输线上的电阻。交流电可以轻松地使用变压器实现高电压的变化。

  交流也能够驱动电动机。电动机和发电机是完全相同的设备,但电动机将电能转换成机械能(若电动机的轴旋转,终端将产生电压!)。这对于许多使用交流电的大型家电如洗碗机,冰箱等是有用的。

直流(DC)

  直流电流比交流电流容易理解一点。DC提供恒定电压或电流,而不是来回振荡。

产生直流

  直流电可以用多种方式产生:

  • 交流发电机配备称为“换位”的设备可以产生直流电流
  • 使用称为“整流器”的设备,将AC转换为DC
  • 电池提供直流电,它是由电池内部的化学反应产生的

  再次使用水类比,直流电(DC)类似于一个底部接有软管的水槽:

  水槽中的水只有一条出路:软管。类似于我们的产生直流电的电池,一旦水槽是空的,水将不再流经管道。

描述直流

  直流是指当前的“单向”流;电流在一个方向上只有流动。电压和电流的大小可随时间而改变,只要流动的方向不改变便依然称为直流。为了简化起见,我们假设一个电压恒定不变。例如,我们假设一个AA电池提供1.5V的电压,可以用数学术语表示为:

  如果我们绘制这随着时间的推移,我们看到一个恒定电压:

  这意味着什么?这意味着我们可以指望DC源提供一段时间内的恒定电压。在现实中,随着电池的使用,电池会慢慢失去它的电荷,即电压会下降。但在大多数情况下,我们可以认为电压是恒定的。

应用

  几乎所有在SparkFun销售的电子工程及配件都能用直流运行。一切使用电池,插在墙上的AC适配器,或USB电缆所得的电力均为直流。直流电子的例子包括:

  • 手机
  • 基于LilyPadD & D骰子挑战
  • 平板电视(AC进入电视,并转换为DC)
  • 手电筒
  • 混合动力和电动汽车

电流之战

  现如今几乎每一家电力业务都是有线交流电。然而,这却并非是从一开始便决定的。在19世纪80年代后期,各种发明在美国和欧洲的出现导致交流电流和直流电流之间爆发了大规模的战役。

  1886,位于布达佩斯的一家名为Ganz Works的电力公司,将罗马进行了全面的交流电气化。另一方面,1887年,Thomas Edison在美国构建了121个直流发电站。这场战斗中的一个转折点就是George Westinghouse,一个来自匹兹堡的著名实业家,在第二年购买了特斯拉的交流电机与传送装置的专利。

交流与直流

Thomas Edison(礼貌的形象Biography.com

  在19世纪后期,直流无法轻易地转换为高电压。因此,爱迪生提出了一个小型的,地域性的电厂系统,为个别社区或城市的部分提供电力。电厂利用三线分布:+110伏,0伏和-110伏来提供电能。灯和电动机可以连接在+110v或-110V插座与0V之间(中性)。110v足以满足电厂和负载之间的电压损失(家里,办公室等)。

  即使跨越电力线的电压下降占,电厂需要位于最终用户的1英里内。这种限制使得农村地区的权力分配极其困难,如果不是不可能的话。

Tesla Westinghouse
尼古拉特斯拉(图片来源维基百科 乔治·威斯汀豪斯(图片来源pbs.org

  威斯汀豪斯利用特斯拉的专利完善了交流配电系统。变压器的使用提供了一种便宜的方法将交流电压提升为几千伏或回落到可用的水平。在高电压状态下,相同的电力可以在较低的电流状态下传输,这意味着由于导线上电阻消耗的电能减少了。因此,大型发电厂可以位于许多英里之外,服务于越来越多的人民和建筑。

爱迪生的诽谤

  在接下来的几年里,爱迪生发起了一场游说州议会和传播关于交流的虚假信息的运动,极大地阻碍了交流电在美国的使用。爱迪生甚至指派一些技术人员公开用交流电电死动物企图表明交流比直流更危险。为了显示这些危险,Harold P. Brown和Arthur Kennelly,爱迪生的员工,利用交流电为纽约州设计了第一架电椅。

交流的兴起

  1891年,国际电工展在德国法兰克福举行,会上展示的第一个长距离传输的三相交流电机供应了展览会现场电灯和电动机所需电能。而后来成为通用电气代表的几个人恰巧出席了展览会并对这一展示留下了深刻的印象。一年后,通用电气形成并开始投资交流技术。

Edward Dean Adams发电厂在尼亚加拉大瀑布,1896(图片来源teslasociety.com

  威斯汀豪斯于1893年争取到了一份合同,内容是修建一座水电大坝,利用尼亚加拉大瀑布的力量,把交流电输送到纽约布法罗。该项目于1896年11月16日完成,交流电由此开始进入布法罗电力行业。这标志着直流电在美国的衰落。而当欧洲采用交流220-240伏,50赫兹作为供电标准时,北美洲的标准为120伏,60赫兹。

高压直流(HVDC)

  瑞士工程师René Thury 用一系列电动机发电机制造1880年代的高压直流系统,可用于长距离传送直流电源。然而,由于高压直流系统的高成本和维护费用,高压直流输电在近一个世纪中未被采用。

  在70年代半导体电子的发明,交流和直流之间节约地转换成为可能。一些特殊的设备可以被用来产生高压直流电源(有的达到800 kV)。欧洲的部分地区已经开始采用直流线路来连接各个国家的电网。

  经过长距离传输后,高压直流输电线路损失比交流电线路损失要来的小。除此之外,直流允许不同的交流系统(例如50赫兹和60赫兹)连接。尽管有这些优点,直流输电系统还是比普通交流系统更昂贵和不可靠的。

  相信到最后,爱迪生,特斯拉,和威斯汀豪斯等人AC和DC可以共存并达到服务目的的愿望可能会成真。

进一步探索

  现在你应该对AC和DC的区别有一个很好的了解。交流电压电平之间容易变换,使高压输电更加可行。另一方面,DC几乎在所有的电子产品中都存在.。你应该了解的是:这两者不能混为一谈。如果你想将大部分电子产品直接插入到墙壁插座,你将需要将交流转化为直流。有了这样的认识,你应该准备好应对一些更加复杂的电路和概念,即使它们含有交流成分。

  如果你准备进入更深的电子世界,那你可以看看以下教程:


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