1.1 电磁感应与交直流
1.1.1 电磁感应
1.电流感应磁场
通俗地讲，磁场就是存在磁力的场所，可以用铁粉末验证磁场的存在。图1-1所示为磁铁周围的磁场现象。
图1-1 磁铁周围的磁场
两个磁极附近和两个磁极之间被磁化的铁粉所形成的纹路图案是很有规律的线条。它是从磁体的N极出发经过空间到磁体的S极的线条，在磁体内部从S极又回到N极，形成一个封闭的环。通常磁力线的方向就是磁体N极所指的方向。
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磁铁的磁极之间存在的由铁粉构成的曲线，代表着磁极之间相互作用的强弱。只要有磁极存在，它就向空间不断地发出磁力线，而且离磁极越近的地方磁力线的密度越大，而远处磁力线的排列则比较稀疏。
如图1-2所示，如果金属导线通过电流，那么借助铁粉末，可以看到在导线的周围也会产生磁场，而且导线中通过的电流越大，产生的磁场越强。
图1-2 电流感应出磁场
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流过导体的电流的方向和所产生的磁场方向之间有着明确的关系。图1-3所示为右手定则（即安培定则），说明了电流周围磁场方向与电流方向的关系。
图1-3 安培定则（右手定则）
直线电流的安培定则：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向与电流的方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁力线的环绕方向，如图1-3a所示。
环形电流的安培定则：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形电流中心轴线上磁力线（磁场）的方向，如图1-3b所示。
2.磁场感应出电流
磁场也能感应出电流，把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计的指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针偏转的程度越大，如图1-4所示。同样，如果把磁铁插入螺线管，则检流计的指针也会偏转，但是偏转方向和抽出时相反，检流计指针偏摆表明线圈内有电流产生。
也就是说，当闭合回路中一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，回路中就有电流产生；当穿过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈中有电流产生。这种由磁产生电的现象，称为电磁感应现象，产生的电流叫感应电流。
图1-4 磁场感应出电流
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感应电流的方向与导体切割磁力线的运动方向和磁场方向有关，即当闭合回路中一部分导体做切割磁力线运动时，所产生的感应电流方向可用右手定则来判断，如图1-5所示。伸开右手，使拇指与四指垂直，并都与手掌在一个平面内，让磁力线穿入手心，拇指指向导体运动方向，四指所指的即为感应电流的方向。
图1-5 右手定则
1.1.2 交流电与直流电
1.直流电
直流电（Direct Current，DC）的电流流向单一，其方向不随时间做周期性变化，即电流的方向固定不变，是由正极流向负极，但电流的大小可能不固定。
直流电可以分为脉动直流和恒定直流两种，脉动直流中直流电流大小不稳定；而恒定电流中的直流电流大小能够一直保持恒定不变。图1-6所示为脉动直流和恒定直流。
图1-6 脉动直流和恒定直流
要点说明
一般将可提供直流电的装置称为直流电源，它是一种能在电路中形成并保持恒定直流的供电装置，例如干电池、蓄电池、直流发电机等。直流电源有正、负两极、当直流电源为电路供电时，直流电源能够使电路两端保持恒定的电位差，从而在外电路中形成由电源正极到负极的电流，如图1-7所示。
图1-7 直流的形成
2.交流电
交流电（Alternating Current，AC）一般是指电流的大小和方向会随时间做周期性的变化。
我们在日常生活中所有的电气产品都需要有供电电源才能正常工作，大多数的电器设备都是由交流220V、50Hz的市电作为供电电源。这是我国公共用电的统一标准，交流220V电压是指相线（即火线）对零线的电压。
交流电是由交流发电机产生的，交流发电机可以产生单相和多相交流电压，如图1-8所示。
（1）单相交流电 单相交流电是以一个交变电动势作为电源的电力系统。在单相交流电路中，只具有单一的交流电压，电流和电压都按一定的频率随时间变化。
图1-9所示为单相交流电的产生。在单相交流发电机中，只有一个线圈绕制在铁心上构成定子，转子是永磁体，其内部的定子上有一组线圈，它所产生的感应电动势（电压）也为一组，由两条线进行传输，这种电源就是单相电源，这种配电方式称为单相二线制。
图1-8 单向交流电和多相交流电的产生
图1-9 单相交流电的产生
（2）多相交流电 多相交流电根据相线数量的不同，可以分为两相交流电和三相交流电。
图1-10所示为两相交流电的产生。在发电机内设有两组定子线圈互相垂直的分布在转子外围。转子旋转时两组定子线圈产生两组感应电动势，这两组电动势之间有90°的相位差，这种电源为两相电源，这种方式多在自动化设备中使用。
图1-10 两相交流电的产生
图1-11所示为三相交流发电机。通常，把三相电源电路中的电压和电流统称三相交流电，这种电源由三条线来传输，三线之间的电压大小相等（380V）、频率相同（50Hz）、相位差为120°。三相380V交流电源是我国采用的统一标准。
图1-11 三相交流发电机
三相交流电是由三相交流发电机产生的。在定子槽内放置着三个结构相同的定子绕组A、B、C，这些绕组在空间上互隔120°。转子旋转时，其磁场在空间按正弦规律变化，当转子由水轮机或汽轮机带动以角速度ω等速顺时针旋转时，在三个定子绕组中，就产生频率相同、幅值相等、相位上互差120°的三个正弦电动势，这样就形成了对称三相电动势。
三相电路由三相电源、三相负载以及三相电路组成，通常有三根相线和一根零线（标准术语为中性线），一般情况下三相电为380V多动力设备供电。实际上，住宅用电的供给也是从三相配电系统中抽取其中的某一相与零线构成的。在三相电路中，相线与相线之间的电压为380V，而相线与零线之间的电压为220V，如图1-12所示。
图1-12 三相交流电路电压的测量
交流发电机的基本结构如图1-13所示，转子是由永磁体构成的，当水轮机或汽轮机带动发电机转子旋转时，转子磁极旋转，会对定子线圈辐射磁场，定子线圈切割磁力线，使其中产生感应电动势，转子磁极转动一周就会使定子线圈产生相应的电动势（电压）。由于感应电动势的强弱与感应磁场的强度成正比，感应电动势的极性也与感应磁场的极性相对应，所以定子线圈所受到的感应磁场是交替周期性变化的。转子磁极匀速转动时，感应磁场是按正弦规律变化的，发电机输出的电动势则为正弦波形。
图1-13 交流发电机的结构和原理
要点说明
发电机是根据电磁感应原理产生电动势的，当线圈受到变化磁场的作用（即线圈切割磁力线时便会产生感应磁场，感应磁场的方向与作用磁场方向相反。发电机的转子可以被看作是一个永磁体，如图1-14a所示。当N极旋转并接近定子线圈时，会使定子线圈产生感应磁场，方向为N/S，线圈产生的感应电动势为一个逐渐增强的曲线，当转子磁极转过线圈继续旋转时，感应磁场则逐渐减小。
图1-14 发电机感应电动势产生的过程
图1-14 发电机感应电动势产生的过程（续）
当转子磁极继续旋转时，转子磁极S开始接近定子线圈，磁场的磁极发生了变化，如图1-14b所示，定子线圈所产生的感应电动势极性也翻转180°，感应电动势输出为反向变化的曲线。转子旋转一周，感应电动势又会重复变化一次。由于转子旋转的速度是均匀恒定的，因此输出电动势的波形为正弦波。