FHSST 物理学/磁体和电磁学/交流电
大多数电磁学学生从称为直流电 (DC) 的内容开始学习。在直流电系统中，电流（带电粒子的流动）的方向是恒定的。在直流电系统中，每个部分的电压极性是恒定的。直流电是由电池（具有明确的正负极）产生的电力，或者是由摩擦某些类型的材料而产生的电荷。
虽然直流电实用且易于理解，但它并不是唯一使用的电力“种类”。某些电力来源（最显著的是旋转机电发电机）自然会产生极性交替的电压，随着时间的推移，正负极反转。无论是极性反转的电压还是方向来回切换的电流，这种电力“种类”都被称为交流电 (AC)
我们熟悉的电池符号被用作任何直流电压源的通用符号，而圆圈内有波浪线的符号是任何交流电压源的通用符号。
人们可能会想知道为什么有人会费心去研究交流电。确实，在某些情况下，交流电并没有比直流电有任何实际优势。在将电力用于以热量形式耗散能量的应用中，电流的极性或方向无关紧要，只要负载上的电压和电流足以产生所需的热量（功率耗散）即可。然而，使用交流电，可以制造出比直流电效率高得多的发电机、电动机和配电系统，因此，我们在全球范围内发现交流电主要用于高功率应用中。为了解释这样做的细节，需要了解一些关于交流电的背景知识。
如果制造一台机器，使磁场在转动轴的转动下绕着一组静止的线圈旋转，那么当转动轴转动时，根据法拉第电磁感应定律，在该线圈上将产生交流电压。这是交流发电机（也称为交流发电机）的基本工作原理。
请注意，当旋转磁体的相反极性经过时，线圈上的电压极性是如何反转的。当连接到负载时，这种反转的电压极性将在电路中产生反转的电流方向。交流发电机的轴转得越快，磁铁旋转得就越快，导致交流电压和电流在给定时间内更频繁地切换方向。
虽然直流发电机的工作原理与电磁感应的相同，但它们的结构并不像交流发电机那样简单。对于直流发电机，线圈安装在交流发电机的磁体所在的轴上，并通过静止的碳“刷”接触旋转轴上的铜条，从而建立与该旋转线圈的电气连接。所有这些都是为了将线圈不断变化的输出极性切换到外部电路，以便外部电路看到恒定的极性。
上面所示的发电机将每转动轴一圈产生两个电压脉冲，两个脉冲方向（极性）相同。为了使直流发电机产生恒定电压，而不是每转动半圈产生一次的短暂电压脉冲，有多组线圈与刷子间歇接触。上面所示的图表比现实生活中看到的要简单一些。
制造和断开与移动线圈的电气接触所带来的问题应该是显而易见的（产生火花和热量），尤其是当发电机的轴高速旋转时。如果机器周围的大气中含有易燃或易爆蒸汽，那么产生火花的刷子接触的实际问题就更大了。交流发电机（交流发电机）不需要刷子和换向器即可工作，因此不会受到直流发电机所遇到的这些问题的困扰。
交流电在发电机设计方面的优势也反映在电动机上。虽然直流电动机需要使用刷子来与移动线圈进行电气接触，但交流电动机不需要。事实上，交流电动机和直流电动机的设计与其发电机对应物非常相似（在本教程中是相同的），交流电动机依赖于交流电通过其静止线圈产生的反向磁场来使旋转磁体绕其轴旋转，而直流电动机依赖于刷子接触来制造和断开连接，以便每转动半圈（180 度）反转流经旋转线圈的电流。
因此，我们知道交流发电机和交流电动机往往比直流发电机和直流电动机更简单。这种相对的简单性转化为更高的可靠性和更低的制造成本。但是，交流电还能做什么？它一定不仅仅是发电机和电动机的设计细节吧！当然还有。有一种被称为互感的电磁现象，即两个或多个线圈放置在一起，使得一个线圈产生的变化磁场会在另一个线圈中感应出电压。如果我们有两个互感线圈，并且我们用交流电给一个线圈通电，我们将在线圈中产生一个交流电压。当用作这种方式时，这种装置被称为变压器。
变压器的基本意义在于它能够轻松地将电压从供电线圈升高或降低到未供电线圈。未供电线圈（“次级”）上的感应交流电压等于供电线圈（“初级”）上的交流电压乘以次级线圈匝数与初级线圈匝数的比率。如果次级线圈给负载供电，则流经次级线圈的电流恰好相反：初级线圈电流乘以初级线圈匝数与次级线圈匝数的比率。这种关系具有非常相似的机械类比，使用扭矩和速度分别代表电压和电流。
如果绕组比率反转，使得初级线圈的匝数少于次级线圈，则变压器将电压从电源级别“升高”到负载级别。
变压器轻松地将交流电压升高或降低的能力赋予了交流电在配电领域无法比拟的优势。当在长距离传输电力时，使用升高的电压和降低的电流（更小的线径，更少的电阻功率损耗）传输电力要高效得多，然后将电压降回，电流升高，以供工业、商业或消费者使用。
变压器技术使得远程电力分配成为可能。如果没有能够有效地将电压升高和降低的能力，建造电力系统将非常昂贵，除非用于近距离（最多几英里）使用。
虽然变压器很有用，但它们只适用于交流电，不适用于直流电。由于互感现象依赖于变化的磁场，而直流电 (DC) 只能产生稳定的磁场，因此变压器 simply will not work with direct current. 当然，可以通过变压器的初级绕组中断（脉冲）直流电，以产生变化的磁场（如汽车点火系统中所做的那样，从低压直流电池产生高压火花塞电源），但脉冲直流电与交流电并没有太大区别。也许最重要的是，这就是交流电在电力系统中应用如此广泛的原因。
如果我们从正弦波图上的任意一点跟踪交流发电机线圈产生的变化电压，一直到该波形开始重复自身的点，我们将准确地标记该波的一个周期。最简单的方法是在相同峰值之间跨越距离，但可以在图上的任何对应点之间测量。图上水平轴上的度数标记代表三角正弦函数的定义域，也代表我们简单的两极交流发电机轴在旋转时的角位置。
由于该图的水平轴可以标记时间推移以及轴的度数位置，因此一个周期的标记尺寸通常以时间单位来测量，最常见的是秒或秒的几分之一。当表示为测量值时，这通常称为波的周期。波的周期（以度为单位）始终为 360 度，但一个周期占用的时间取决于电压来回振荡的速率。
描述交流电压或电流波的交替速率比周期更常用的量是这种来回振荡的速率。这被称为频率。频率的现代单位是赫兹（缩写为 Hz），它表示一秒钟内完成的波周期数。在美国，标准电网频率是 60 Hz，这意味着交流电压以每秒 60 个完整的来回周期振荡。在欧洲，电网频率是 50 Hz，交流电压每秒只完成 50 个周期。一个以 100 MHz 的频率广播的广播电台发射机产生以每秒 100 百万个周期振荡的交流电压。
周期和频率是彼此的数学倒数。也就是说，如果一个波的周期为 10 秒，它的频率将为 0.1 Hz，或每秒 1/10 个周期。
一种名为示波器的仪器用于在图形屏幕上显示随时间变化的电压。您可能熟悉ECG或EKG（心电图仪）的外观，医生使用它来绘制患者心脏随时间变化的振荡。ECG 是一种专门为医疗用途而设计的专用示波器。通用示波器能够显示几乎任何电压源的电压，以时间作为自变量绘制成图形。当在示波器屏幕上显示交流电压或电流波形时，了解周期和频率之间的关系非常有用。通过测量示波器屏幕水平轴上的波形周期（以秒为单位）并求其倒数，您可以确定以赫兹为单位的频率。
电压和电流绝不是唯一随时间变化的物理量。声音在我们日常生活中更为常见，它不过是对空气分子交替压缩和减压（压力波）的解释，我们的耳朵将它解释为一种物理感觉。由于交流电是一种波现象，因此它与其他波现象（如声音）具有许多共同的特性。因此，声音（尤其是结构化的音乐）为理解交流概念提供了极好的类比。
在音乐术语中，频率相当于音高。大号或巴松管等乐器发出的低音符由空气分子振动产生，振动速度相对较慢（频率较低）。长笛或哨子等乐器发出的高音符由相同类型的空气振动产生，只是振动速度快得多（频率更高）。下表显示了一系列常见音符的实际频率。
敏锐的观察者会注意到，表中所有具有相同字母名称的音符都具有 2:1 的频率比。例如，显示的第一个频率（用字母“A”表示）是 220 Hz。下一个最高音“A”的频率为 440 Hz - 每秒正好是两倍的声波周期。相同的 2:1 比例适用于第一个 A 升（233.08 Hz）和下一个 A 升（466.16 Hz），以及表中找到的所有音符对。
从听觉上来说，两个频率正好是彼此两倍的音符听起来非常相似。这种声音相似性在音乐上得到认可，音乐音阶中最短的跨度将这种音符对分开，称为八度。遵循此规则，下一个最高音“A”（高于 440 Hz 一个八度）将是 880 Hz，下一个最低音“A”（低于 220 Hz 一个八度）将是 110 Hz。钢琴键盘的视图有助于将此音阶置于透视中。
如您所见，一个八度等于钢琴键盘上八个白键的距离。熟悉的音乐助记符（do-re-mi-fa-so-la-ti-do） - 是的，与罗杰斯和汉默斯坦在《音乐之声》中演唱的奇想曲中永垂不朽的相同模式 - 涵盖了从 C 到 C 的一个八度。
虽然机电交流发电机和许多其他物理现象自然会产生正弦波，但这并不是唯一存在的交流波。其他类型的交流“波形”通常在电子电路中产生。以下是一些样本波形及其常用名称。
这些波形绝不是唯一存在的波形。它们只是几种足够常见的波形，以至于被赋予了不同的名称。即使在应该表现出“纯”正弦、方波、三角波或锯齿波电压/电流波形的电路中，现实生活中的结果通常是预期波形失真后的版本。一些波形非常复杂，以至于无法归类为特定的“类型”（包括与许多类型的乐器相关的波形）。一般来说，任何与完美正弦波非常相似的波形被称为正弦波形，任何不同的波形都被称为非正弦波形。由于交流电压或电流的波形对其在电路中的影响至关重要，因此我们必须意识到交流波有多种形状。