單元拾:直流電與交流電

 一、直流電

()何謂「直流電」:

1.直流電:係指電源的電流方向固定不變,電源有固定的正極和負極。

2.直流電源符號簡記為【DC】,電流的方向【固定】。例如:乾電池、鉛電池、鋰電池等化學電池所供應的電流皆屬之。

3.直流電的定義只在於電流的方向不變,電流的大小則可能隨時間而改變,例如:化學電池在使用時,其電流大小會隨時間而逐漸遞減。

()直流電與時間的變化:

1.直流電源的電流方向固定為同一方向,故不會時間而改變,至於電流的大小則不在直流電的定義之內,故電流的大小則可能隨時間而改變。

2.若將電流I時間t繪製成座標圖形簡:It圖形,則如圖一所示的甲、乙兩座標關係皆可稱為:「直流電」。

(1)在圖一中:甲座標的電流大小會隨著時間而改變,但曲線始終都在第一象限,代表「電流的方向不變」,故為直流電,直流發電機的電流變化即為此關係圖。

(2)圖一中的乙座標的電流大小固定不變,且曲線始終都落在第一象限,代表「電流的方向不變」,故亦為直流電,電池在短時間的電流大小可視為定值,其電流大小與使用時間的關係圖即與此圖形相同。

 

二、交流電

()交流電定義:

1.交流電:指交流電源所供應的電流,其電流的大小電流方向皆會隨著時間而改變。

2.交流電源的符號簡記為:【AC】,電流的方向和電流的大小皆【不固定】。

3.一般家庭用電大多是屬於交流電,因為發電廠是以交流發電機進行發電,故輸送出來的為交流電。

4.若遇到需要使用直流電的電器,就需要以整流器將交流電轉換為直流電,在國中階段並不針對整流器加以討論。

()交流電與時間的變化:

1.交流電原所供應的電流與時間的變化關係;即It關係圖形(如圖二)所示:

2.我國發電廠產生的交流電隨時間而變化的頻率為:60赫茲,亦即每一秒變化60個週期,(60Hz)。

3.承上第2點之敘述,我國的交流電源,其電流變化的 週期為秒,如圖二中的曲線變化,當電流的方向正、負改變一次才稱為一個週期,需歷時秒。

4.圖二所繪的曲線經歷了二個週期,且電流的方向改變了四次。換言之;在一秒的時間內,交流電的電流方向可改變120

 

三、變壓器

()變壓器的功能:

1.各種電器所需的電壓不同,且發電廠輸送電能也以節省能量消耗為考量,故常需改變電源的輸出電壓以因應不同的需求。

2.所謂變壓器,是能夠依實際需要而改變電壓大小的裝置,其功能可以將電源的低電壓提升為高電壓,也可以將高電壓降為低電壓。

3.同一變壓器可以用來增加電壓,亦可用以降低電壓,差別只在於輸入端與輸出端相反而已。

4.交流電可藉由【變壓器】改變電壓,亦可藉【整流變壓器】將交流電變更為直流電,同時也將電壓改變。

5.發電廠採用的發電機多為交流電發電機,這是因為交流電容易經由變壓器改變電壓之故。

()變壓器的構造及原理:

1.變壓器的構造:(如圖三所示)

(1)圖中的變壓器包含了三個部分:主線圈、副線圈和軟鐵芯,線圈是由漆包線纒繞於軟鐵芯而成,軟鐵芯則以純度高的熟鐵片堆疊製成。

(2)主線圈是指電壓輸入端,外電源的電流由此輸入。副線圈是指電壓的輸出端,經過變壓器改變電壓之後,電流由副線圈輸出。

(3)主線圈的匝數與副線圈不同,利用兩線圈的匝數變化,可以達到改變電壓的目的。

(4)圖三所示的主線圈數為5匝,副線圈數為10匝,故其關係式為:
輸入電壓:輸出電壓=主線圈匝數:副線圈匝數,故此為增壓的變壓器。若輸入電壓為
100V,則輸出電壓的計算式為100:輸出電壓=510,∴輸出電壓=200V

2.變壓器主要依據的原理:是運用電流的磁效應在主線圏產生磁場變化後,於副線圏上因軟鐵芯的磁場方向及強弱快速變化而發生電磁感應亦即因電磁感應而產生感應電流,進而由副線圏(輸出端)輸出所需要的電壓大小。

3.調整變壓器兩端輸入和輸出的線圈數比,即可改變輸出電壓的大小,若主線圏(輸入端)的線圏數小於副線圏(輸出端)的線圏匝數,則該變壓器為增壓,反之則為減壓。

4.改變主線圏與副線圏的匝數比,就可以得到所需求的輸出電壓大小,依據能量守恆定律,通常提高輸出電壓會使輸出的電流變小,電功率=電流×電壓,即PI×V,因輸入端的外電源有一定的電功率,故提升電壓的同時會使電流變小。

5.發電廠為減少電能在輸送的過程中能量的損失,故會將發電廠送出的電源先增壓為高壓電,因發電廠的輸出功率即PI×V為定值,故電壓愈大則電流I愈小,如此在導線中輸送時消耗的電能功率為PI2×R,所以可減少電能的損失,待電能進入市區之前再以變壓器降壓至一般家庭所適用的電壓。
(註
P=發電機的輸出功率,P=導線的耗電功率

6.變壓器同時運用了:「電流的磁效應」和「電磁感應」兩種原理。

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