交流电

电流方向随时间作周期性变化的电流

交流电是一种周期性反转方向并不断改变其大小的电流。通常输电线中的电流都是交流的，我国供电的交流电有效电压是220V的正弦交流电。缩写AC和DC分别表示交流电和直流电。

发展历史

早期发展

历史上第一台交流电发电机是法国仪器制造商Hippolyte Pixii于1832年根据迈克尔·法拉第（Micheal Faraday）的理论制造的发电机。1855年，纪尧姆·杜兴（Guillaume Duchenne）在1855年宣布交流电在电疗触发肌肉收缩方面优于直流电，这是交流电最早的应用记录。

1876年，俄罗斯工程师帕维尔·亚布洛奇科夫（Павел Николаевич Яблочков）发明了一种照明系统，其中感应线圈组沿着高压交流线路安装。1878年，匈牙利布达佩斯的Ganz工厂开始制造交流电的照明设备。1883年，奥地利匈牙利已经安装了50多套交流电照明系统。

变压器

变压器可以将交流电电压从低电平变成高电平，或者相反。在低电压下发电或使用电能，在高电压下传输电能，可以节约成本、降低能源损失。1881年，吕西安·高拉德（Lucien Gaulard）和约翰·迪克森·吉布斯（John Dixon Gibbs）在伦敦演示了他们发明的变压器，这引起了西屋电气公司的兴趣。但是这些早期的变压器效率较低。

1884年秋天，布达佩斯甘茨工厂的三位工程师卡罗利·齐佩诺夫斯基（Károly Zipernowsky）、Ottó Bláthy和米克斯·德里（MiksaDéri）确定了开合设备不可取，因为它们无法可靠地调节电压。于是他们发明了闭芯的变压器，其效率是高拉德和吉布斯的变压器的3.4倍。1884年，甘茨工厂交付了世界上第一批的高效交流变压器。

1886年，塞巴斯蒂安·德·费兰蒂（Sebastiande Ferranti）为伦敦电力供应公司重新设计了格罗夫那画廊发电站的交流系统。1890年，他们在德普特福德设计了他们的发电站，并将泰晤士河对岸的格罗夫那画廊改造成了变电站。

迅速发展

在1886年之后，由于可以有效地长距离分配电离，克服了直流电的局限性，交流电力系统逐渐被广泛采用。1886年，齐佩诺夫斯基、Bláthy和德里设计了世界上第一座使用交流发电机并为并联公共电网供电的发电站——蒸汽动力罗马-塞尔奇发电厂

1888年，伽利略·法拉利斯（GalileoFerraris）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）独立发明了一种感应电机，这种电机确保了交流电的安全性，极大地推进了交流电的普及。不久之后米哈伊尔·奥西波维奇·多利沃-多布罗沃尔斯基（Михаи́л О́сиповичДоли́во-Доброво́льский）、查尔斯·尤金·兰斯洛特·布朗（Charles Eugene Lancelot Brown）和乔纳森·温斯特伦（JonasWenstrom）独立地发展了三相感应电机，这是现代常用的交流电机。

在19世纪下半叶和20世纪初，交流电路理论迅速发展，突出贡献者有查尔斯·普罗特乌斯·斯坦梅茨（CharlesProteus Steinmetz）、奥利弗·赫维赛德（Oliver Heaviside）、查尔斯·勒盖特·福特斯库（Charles LeGeyt Fortescue）等人。

理论

物理量

电压

在正弦交流电中，电压的表达式是

其中是初始相位；是电压的峰值，也是振幅；是角频率，与频率的关系是

均方根电压（RMS电压）是电压的平方在一个周期内平均值的平方根，一般的表达式是

可以算出，波形是正弦波的交流电的均方根电压是，波形是三角形的交流电的均方根电压是，方波交流电的均方根电压是

功率

交流电瞬时功率的表达式是

其中是负载的电阻。一般来讲，平均功率应用更加广泛，平均功率的定义是在一个周期内功率的平均值。平均功率的表达式是

电感

电感的来源

电流会产生磁场，这个物理过程遵循安培环路定理，详情见词条“磁场”。那么电流变化会导致磁通量的变化，从而产生电动势，这是法拉第电磁感应定律的内容

方程中负号表示楞次定律。这个方程表示，感应电动势产生的感应电流总是抵抗磁通量的增加。可以定义一个物理量“电感”来描述感应电压与感应电流变化之间的比值

从上式中可以看到。电感是导体的一种特性。电感的量纲是，国际单位制下的单位是（亨利）。的电感表示当电流以每秒一安培的速率变化时，导致电压变化为一伏的电感量

如果多个电路彼此靠近，那么一个电路的磁场会穿过另一个电路，从而一个电路的感应电压可能与其它电路中电流的变化有关，因此可以定义互感系数，表示编号为的电路中电流变化与编号为的电路因此产生的电动势之比，即

应当有。为了证明这个关系，将两个电路视为两个电感器，将其串联成一个回路，那么两个电路电流变化时相同的。那么发现为了保证能量守恒，两个电路对彼此做的功大小应该是相等的，因此互感系数必定相等

磁能

流过电路的电荷需要客服电感产生的电动势，这会将一部分能量转化为电感周围磁场的能量。先考虑只存在自感的情况。电感在其周围的磁场中储存能量，相应的功率是

如果电感与电流无关，电感中储存的磁能是

在电感器中间存在磁芯的情况下，由于铁磁体的磁滞回线，电感会随着电流变化。当铁芯磁场远离饱和磁场时，可以近似地认为电感与电流无关。在铁芯磁场处于饱和磁场附近时，上述公式不再成立，此时磁能是

对于存在互感的电路，功率是

如果电感与电流无关，磁能是

其中用到了，并且为了书写方便，令。

感抗

一般情况下，可以认为电路元件的电感与电流无关。当正弦交流电通过电感时，感应电动势也是随时间正弦变化的。如果通入电感的电流为，那么相应地电压是

类似电阻的定义，感抗是交流电压与电流之比，即

其中表示电压的相位相比电流超前。感抗的单位是欧姆。在分析交流电路时，串联和并联电路中电阻、感抗、容抗的叠加法则是相同的，对电阻分析的方法对于感抗和容抗均适用，只不过感抗和容抗均是复数。电路中总的相位变化是总阻抗的相位。

电容

考虑正弦交流电通入电路，电源电压随时间的变化是一个正弦函数，电容器上电流和电压关系是

类似电阻的定义，容抗是交流电压与电流之比，即

交流电频率越低，容抗越高；通过电容频率非常低的那部分电流可以认为已被“滤除”。因此电容在交流电路中有过滤低频信号的作用。

交流电频率越高或者电感越高，感抗越高，通过电感频率非常高的那部分电流可以认为已被“滤除”。因此电感在交流电路中有过滤高频信号的作用。

应用

发电机

交流发电机通常采用旋转磁场设计，电枢静止，这样便不需要使用电刷和滑环取电。

同步发电机的磁场来自永久磁铁或电磁铁。发电厂使用的大型同步发电机可透过控制励磁系统（电磁铁）来改变输出电压及无功功率。

异步发电机静止时不会自行产生磁场，利用定子与转子间气隙旋转磁场，与转子绕组中感应电流相互作用来发电。异步发电机需要电容或同步发电机提供无功功率才可以运作，因此通常不能自启动，即是不借助外部电力来启动。

电力传输

交流电被广泛运用于电力的传输，因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。传输的电流在导线上的耗散功率可用焦耳定律（P =I 2R）求得，显然要降低能量损耗需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限，很难降低使用的输电线路（如铜线）的电阻，所以降低传输的电流是唯一而且有效的方法。根据P=IU（实际上有功功率），提高电网的电压即可降低导线中的电流，以达到节约能源的目的。

而交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特，从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全，在进户之前再次降低至市电电压或者适用的电压供用电器使用。

变压器

变压器是一种用来改变交流电电压的电气设备，它是由一个闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。一个线圈和电源连接，叫原线圈(也叫初级线圈)；另一个和负载连接，叫副线圈(也叫次级线圈)。两个线圈都是用绝缘导线绕制成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。

在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交流电通过，在铁芯中产生交变的磁通量。这个交变的磁通量也穿过副线圈，在副线圈中引起感应电动势。所以，这时的副线圈可以作为电源使用。当把用电器连接在副线圈的两端时，副线圈电路中就产生交流电，这时加在用电器上的电压就是副线圈的端电压U2。

由实验知道，变压器原线圈两端的电压U1和副线圈两端的电压U2之比，等于原线圈、副线圈的匝数n1、n2之比。如果n2大于n1，U2就大于U1，变压器就使电压升高，这种变压器叫做升压变压器。如果n2小于n1，U2就小于U1，变压器就使电压降低，这种变压器叫做降压变压器。

相位分类

各国使用的交流电相位主要为单相及三相。

三相电

主条目：三相交流电

三相交流电，输电时只有三条火线，供电给客户时有三条火线和中线。只使用其中一条相线及中线，便是单相电。

三条火线上的正弦波各有120°相位差，主要为工业用。

如果相电压是220V，线电压则是380V。