交流电与直流电——从基础到应用

建议课时：6 讲，每讲 45–60 分钟

这是真的电电了！！！

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教学目标：

1. 能说清直流电与交流电的定义和区别。
2. 理解正弦交流电的幅值、频率、周期、相位、有效值。
3. 掌握交流变直流、直流变交流、变压的基本方法。
4. 能安全使用万用表/示波器测量，并解释生活应用。

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第1讲：电流、电压与 DC/AC 基础

• 电流：电荷定向移动，$I=Q/t$。

• 电压：两点间电势差，是电流流动的原因。

• 直流电 $DC$：方向不随时间改变。大小可以恒定，也可以脉动。

• 例子：电池、手机电池、USB 供电、太阳能板、电子芯片。

• 交流电 $AC$：方向随时间周期性改变，大小通常也周期性变化。

  · 例子：家庭市电、交流发电机、电网。

• 核心对比：

项目	直流电$DC$	交流电 $AC$
方向	不变	周期性改变
大小	可恒定/脉动	周期性变化
典型源	电池、光伏	发电机、市电
能否直接变压器	不能	能

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第2讲：交流电怎么描述

• 正弦交流电表达式：

  $$u(t)=U_m\sin(2\pi ft+\varphi)$$

• 周期 T、频率 f、角频率

$$\omega=2\pi f$$

且 $f=1/T$。

• 我国市电：频率 $50 Hz$，周期 $20 ms$。 · 峰值 $U_m$、峰峰值 $U_{pp}$、有效值 $U_{rms}$。

• 正弦波有效值： $U_{rms}=\frac{U_m}{\sqrt2}$

• 市电“220 V”是有效值，峰值约： $220\times\sqrt2\approx311V$ 峰峰值约 $622 V$。

• 相位与相位差：用于描述两个交流量谁超前、谁滞后。

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第3讲：交流电与直流电的产生和转换

• 直流产生电池化学能、光伏、直流发电机。
• 交流产生：$电磁感应 + 线圈旋转，交流发电机$。
• $AC → DC$：整流
  1. 半波整流、全波整流、桥式整流。
  2. 再加电容滤波、稳压，得到较平稳直流。
• DC → AC：逆变器,例如电动车、太阳能系统把直流变交流。
• 变压器：只能直接改变交流电压，不能直接改变直流电压。

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第4讲：电阻、电容、电感中的 AC/DC

• 电阻 R：交流和直流都消耗能量，遵循欧姆定律

• 电容 C：隔直通交。 容抗：$X_C=1/(2\pi fC)$，频率越高越容易通过

• 电感 L：通直阻交。 感抗：$X_L=2\pi fL$，频率越高阻碍越大

• 功率： 直流：$P=UI$

• 交流：有有功功率、无功功率、视在功率和功率因数

第5讲：测量与实验

• 万用表档位：DCV、ACV、DCA、ACA。
• 示波器：观察波形、峰值、周期、频率。
• 安全实验，禁止直接拿市电做实验：
  1. 电池点亮 LED，观察直流。
  2. 低压交流电源接变压器，观察升压/降压。
  3. 桥式整流 + 电容滤波，用示波器看纹波。
• 安全提醒：市电 220 V 可致命，实验必须用低压电源并在教师指导下进行。

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第6讲：应用与选择

• 直流应用：芯片、手机、LED、电动车、储能、高压直流输电。

• 交流应用：电网、电动机、家电、变压器。

• 为什么电网常用交流？

• 变压器容易升压，远距离输电损耗小；降压也方便。

• 为什么电子设备内部多用直流？

• 半导体电路需要固定极性和稳定电压。

• 总结测验：

  1. 市电 220 V 的峰值是多少？
  2. 画出半波整流和桥式整流波形。
  3. 为什么变压器不能直接变直流？
  4. 手机充电器输入是 AC 还是 DC？输出呢？