FHSST 物理/磁体与电磁学/交流电
大多数电磁学学生从被称为直流电（DC）的学习开始。在直流系统中，电流（带电粒子的流动）方向恒定。在直流系统中，每个部分上的电压具有恒定的极性。直流电是电池产生的那种电力（具有明确的正负极），或是在摩擦某些类型的材料时产生的那种电荷。
直流电既有用又易于理解，但它并不是唯一使用的“类型”电力。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，正负极会反转。无论是极性交替的电压还是方向来回切换的电流，这种“类型”电力被称为交流电（AC）
与熟悉的电池符号被用作任何直流电压源的通用符号一样，圆圈内有波浪线的符号是任何交流电压源的通用符号。
人们可能想知道，为什么有人会费心去处理像交流电这样的东西。确实，在某些情况下，交流电没有比直流电更有优势。在将电能以热量形式耗散的应用中，电流的极性或方向无关紧要，只要负载上的电压和电流足够高以产生所需的热量（功率耗散）即可。然而，使用交流电，可以建造比直流电效率高得多的发电机、电机和电力分配系统，因此我们发现交流电在世界上大多数高功率应用中占主导地位。为了解释为什么会出现这种情况的细节，需要一些关于交流电的背景知识。
如果一台机器被构造为使磁场绕着一组静止线圈旋转，当轴旋转时，根据法拉第电磁感应定律，将在线圈上产生交流电压。这是交流发电机（也称为交流发电机）的基本工作原理。
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。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，磁体旋转得就越快，从而导致交流电压和电流在给定时间内更频繁地改变方向。
虽然直流发电机的工作原理与电磁感应的总体原理相同，但它们的结构并不像交流发电机那样简单。在直流发电机中，线圈安装在交流发电机的磁体所在的轴上，并通过接触旋转轴上的铜条的静止碳“电刷”与该旋转线圈进行电气连接。所有这些都是为了将线圈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。
上图所示的发电机将在轴每旋转一圈产生两个电压脉冲，这两个脉冲方向（极性）相同。为了使直流发电机产生恒定电压，而不是在每半圈旋转一次时产生短暂的电压脉冲，有多组线圈间歇地与电刷接触。上图比现实生活中看到的要简化一些。
与移动线圈进行电气接触所涉及的问题应该是显而易见的（火花和热量），尤其是如果发电机的轴以高速旋转时。如果机器周围的大气中含有易燃或易爆蒸气，那么产生火花的电刷接触的实际问题就更大。交流发电机（交流发电机）不需要电刷和换向器来工作，因此不受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比直流电的优势也反映在电动机上。虽然直流电机需要使用电刷与移动线圈进行电气接触，但交流电机不需要。事实上，交流电机和直流电机的设计与它们的发电机对应物非常相似（为了本教程的起见，它们是相同的），交流电机依赖于由交流电通过其静止线圈产生的反转磁场来旋转其轴上的旋转磁体，而直流电机依赖于电刷接触来断开和重新连接以每半圈旋转（180 度）反转通过旋转线圈的电流。
因此，我们知道交流发电机和交流电机往往比直流发电机和直流电机更简单。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。但交流电还有什么用呢？除了发电机和电机的设计细节之外，它肯定还有更多用途！的确如此。有一种电磁效应被称为互感，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在另一个线圈中感应出电压。如果我们有两个互感的线圈，并且我们用交流电给其中一个线圈通电，我们将在线圈中产生交流电压。当使用时，这种装置被称为变压器。
变压器最基本的重要性在于它能够轻松地将电压从通电线圈升高或降低到未通电线圈。未通电（“次级”）线圈中感应的交流电压等于通电（“初级”）线圈上的交流电压乘以次级线圈匝数与初级线圈匝数的比值。如果次级线圈为负载供电，则流过次级线圈的电流正好相反：初级线圈电流乘以初级匝数与次级匝数的比值。这种关系有一个非常密切的机械类比，使用扭矩和速度分别代表电压和电流。
如果绕组比例颠倒，使得初级线圈的匝数少于次级线圈，变压器将“升高”源端的电压，使其在负载端达到更高的电压。
变压器能够轻松地升高或降低交流电压，这使得交流电在电力分配领域具有直流电无法比拟的优势。当在长距离传输电力时，以升高的电压和降低的电流（更小的直径的电线，电阻功率损耗更小）进行传输效率更高，然后将电压降低，电流升高，供工业、商业或消费者使用。
变压器技术使得长距离电力分配成为可能。如果没有高效地升高和降低电压的能力，建造电力系统将非常昂贵，只能用于近距离（最多几英里）的使用。
变压器虽然有用，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，因此变压器根本无法与直流电一起工作。当然，直流电可以通过变压器的初级绕组中断（脉冲）以产生变化的磁场（如汽车点火系统中那样，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。也许比任何其他原因更重要的是，这就是交流电在电力系统中得到如此广泛应用的原因。
如果我们从正弦波图上的任何一点跟踪交流发电机线圈产生的变化电压，直到波形开始重复的那一点，我们就会标记出该波的一个周期。这最容易通过跨越相同峰值之间的距离来显示，但可以在图形上任何对应点之间测量。图形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旋转时的角度位置。
由于此图形的水平轴可以标记时间流逝以及轴的角度位置（以度数为单位），因此标记为一个周期的尺寸通常用一个时间单位来衡量，最常见的是秒或秒的几分之一。当用作测量值时，这通常被称为波的周期。波以度数表示的周期始终为 360，但一个周期所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测量值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），它代表一秒钟内完成的波周期的数量。在美国，标准的电力线频率是 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，电力系统频率为 50 Hz，交流电压每秒只完成 50 个周期。以 100 MHz 频率广播的无线电台发射器产生以每秒 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，如果一个波的周期是 10 秒，那么它的频率将是 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。你可能熟悉ECG 或 EKG（心电图）机器的外观，医生使用它来绘制患者心脏随时间的振荡图。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来自几乎任何电压源的电压，以时间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。通过测量波形在示波器屏幕水平轴上的周期（以秒为单位）并取该时间值的倒数，你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变量。在我们的日常生活中更为常见的是声音，它不过是空气分子的交替压缩和膨胀（压力波），我们的耳朵将其解释为物理感觉。由于交流电是一种波现象，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）为关联交流概念提供了极好的类比。
在音乐术语中，频率等效于音调。低音调的音符，如大号或巴松管发出的音符，由相对较慢（低频）的空气分子振动组成。高音调的音符，如长笛或哨子发出的音符，由空气中相同类型的振动组成，只是振动速度快得多（高频）。以下是显示一系列常用音符的实际频率的表格
敏锐的观察者会注意到表格中所有具有相同字母标记的音符的频率比为 2:1。例如，显示的第一个频率（以字母“A”表示）为 220 Hz。下一个最高“A”音符的频率为 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），以及表格中找到的所有音符对。
在听觉上，两个频率恰好是彼此的两倍的音符听起来非常相似。这种声音上的相似性在音乐上得到了认可，音乐音阶中最短的跨度，将这样的音符对隔开，被称为八度。遵循此规则，下一个最高“A”音符（比 440 Hz 高一个八度）将是 880 Hz，下一个最低“A”音符（比 220 Hz 低一个八度）将是 110 Hz。钢琴键盘的视图有助于将此音阶置于透视中
正如你所看到的，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，与音乐之声中罗杰斯和汉默斯坦演唱的奇幻歌曲中永垂不朽的模式相同——覆盖了从 C 到 C 的一个八度。
虽然机电交流发电机和其他许多物理现象自然产生正弦波，但这并不是唯一存在的交流波类型。其他类型的交流“波形”通常在电子电路中产生。以下是一些示例波形及其常用名称
这些波形绝不是唯一存在的波形。它们只是一些足够常见以至于被赋予了不同的名称的波形。即使在那些应该表现出“纯”正弦、方波、三角波或锯齿波电压/电流波形的电路中，现实生活中的结果往往是预期波形的扭曲版本。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都被称为正弦波，任何不同的波形都被称为非正弦波。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，因此我们需要注意交流波存在各种形状的事实。