交流电路
交流电路（外文名：Alternating Current (AC) Circuit）是一种电压、电流会随时间作周期性变化的电路。与直流电相比，交流电以某一频率在正、负之间交变，电流不是以一个方向流动，而是不断改变流动的方向。
1831年，英国实验物理学家法拉第总结出了法拉第电磁感应定律，这一发现对交流电路的发展具有革命性意义。进入19世纪末，尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生之间的电力战争进一步推动了交流电的应用，对其发展起到了关键作用。到了1895年，尼古拉·特斯拉为尼加拉瓜的一家发电站成功地制造了发电机组，这一成就使该站成为了世界著名的水电站之一。此后，交流电在工业和城市中得到了广泛应用。
交流电在现代生活中无处不在，目前所使用的电能，几乎都是以交流电的形式产生的。交流电路在变压器、电力传输等实际应用中有着重大的意义。在电力远距离传输过程中，通过变压器将交流电的电压提升至较高水平，可以显著减少输电线路的能量损失。
基本性质
交流电
如果电流的方向和强度作周期性的交换和变动，这种电流就叫做交变电流，又叫交流电。
在交流电路中，电流以某一频率在正、负之间交变。电流不是以一个方向流动，而是不断改变流动的方向。所以，由于突变电流的特性，电压和电流之间的关系不能用这样的式子表示。
电流、电压和电动势
在交流电路中，把随时间变化的量用小写字母表示，如电流、电压、电动势分别用表示；把不随时间变化的量用大写字母表示，如电流、电压、电动势、功率分别用、、、表示；把用复数表示的正弦量称为相量，用大写字母上加点表示电流、电压、电动势的相量形式，即。相量可以表示正弦量，但不等于正弦量，它只是分析和计算交流电路的一种方法。
在交流电路中，电压和电流呈周期性变化，不同的变化规律可以产生不同的波形。其中最常见的为正弦交流电，波形变化满足正弦函数，表示如下：
式中，分别是正弦交流电的电流瞬时值、振幅（最大值）、频率和初相位。叫做交流电的相位，它是决定交流电瞬时变化状态的物理量，为正弦交流电的角频率。
有效值
在两个相同的电阻上分别通上交流电流和稳恒电流，如果在交流电的一个周期的时间内，两个电阻消耗的电能相等，则稳恒电流等于交流电流的有效值。
交流电流的有效值的定义式为：
即交流电流的有效值等于它瞬时值的平方在一个周期内的平均值的平方根，故有效值也叫方均根值。正弦交流电的有效值等于其振幅的倍。例如：，即220V的正弦曲线交流电的振幅峰值大约为311.08V。
周期和频率
交变信号重复一次所需的时间叫周期，常用字母表示，单位是s。交变信号单位时间内循环的次数叫频率，常用字母表示，单位是 Hz。两者的关系为频率是周期的倒数。称为信号的角频率，用字母表示，单位为rad/s。
功率
在交流电路中，电压和电流都在随时间而变，因而电功率的数值也是随时间而变。如果以瞬时电压乘瞬时电流，即所得的电功率也是瞬时值，即
和可能出现同向或反向的情况，因此交流电的瞬时功率有时是正的，有时是负的。要想求出某一段时间内电流所做的净功，就必须先求出功率的平均值再来乘时间。因此，在计算电流的净功时，平均功率比瞬时功率有用。
发展简史
1824年，阿拉果进行圆盘实验，首次采用机械方法获得旋转磁场。
1831年，英国实验物理学家迈克尔·法拉第认为既然电能够产生磁，那么磁也应该产生电。顺着这一思路，在总结前人研究的基础上，又经历了多次失败之后，他终于制造了人类历史上第一个圆盘发电机并总结出了电磁感应定律：即当回路内部的磁通量发生变化时，回路上产生的感应电动势同总磁通量的时间变化率成正比。这一定律在理论上解释了电与磁之间的相互作用，对交流电路的发展也具有革命性的意义。
1866年，西门子股份公司提出构建交流发电机的设想，并由西门子公司的工人完成了第一台交流发电机的制造。
1882年，詹姆斯·戈登建造了大型双相交流发电机。
1883年，特斯拉进入巴黎附近的爱迪生大陆公司工作，在那里他凭灵感成功设计了第一台感应电动机模型。这种电动机与直流电动机完全不同，不需要碳刷与整流器的铜片摩擦来改变定子和转子的磁极，而是通过旋转磁场驱动转子。
1884年，28岁的特斯拉前往美国，投奔到托马斯·爱迪生的门下，然而不到10个月他便离开。特斯拉与爱迪生性格差异很大，跟其他人也合不来，更深层的原因在：爱迪生不喜欢交流电，特斯拉无法说服他。
1885年3月，费拉里斯发现两相旋转磁场现象，制成两相感应电动机模型，并进行实验。
1885年8月，特斯拉制成一台两相感应电动机模型。1887年8月，特斯拉制成一台两相感应电动机。
1891年尼古拉·特斯拉来到威斯汀豪斯电气公司深入开展他的交流电应用研究，使威斯汀豪斯公司实现了交流电的长距离输电。19世纪末，尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生之间的电力战争，对于交流电的发展方面发挥了重要作用。
1893年1月，在位于芝加哥的一次世界博览会开幕礼中，特斯拉展示了交流电同时点亮了90000盏灯泡的供电能力，他也因此取得了尼亚加拉水电站电力设计的承办权。1895年，他替尼加拉瓜发电站成功地制造了发电机组，使该发电站至今仍是世界著名水电站之一，交流电在工业和城市中得到广泛应用。
交流电的产生
交流电的产生方式多种多样，每种方式都有其独特的优势和应用场景，其中最常见的产生方式之一是使用交流发电机。此外，交流电也可以通过电学元件与电容器的结合来产生。无论是通过交流发电机还是电学元件与电容器的结合，这些方法都为我们的日常生活和工业生产提供了稳定可靠的电力资源。
交流发电机产生交流电
由电磁感应定律和楞次定律的相关知识可知，当电感线圈在匀强磁场中匀速转动时，穿过闭合线圈的磁通量会发生周期性变化。当磁通量发生变化时，线圈中就会产生大小和方向周期性变化的感应电流，而且感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，线圈切割磁力线，则产生感应电动势。实际生活中的交流发电机其实是线圈不动而磁极转动的，其动力来源主要是火力、水力和风能等。
电学元件与电容器结合产生交流电
在电路中，利用弹簧振子周期性的运动特点和一些电学元件的特性，可以改变电容器的电容。因为电荷量与电容和电压之间的关系是。因此，对两边关于时间求导得到电流 的表达式为：
这意味着，通过改变电容器的电容，可以在直流电路中产生交变电流。
相位分类
单相交流电路
单相交流电路是日常生活中最常见的电路类型，它广泛应用于家庭、办公室和各种电子设备中。在理想的情况，我们可能会想象电路中的负载只包含单一的元件，如纯电阻、纯电感或纯电容。然而，实际应用中，几乎所有的电路负载都不是单一参数的，而是由电阻（R）、电感（L）和电容（C）三种基本元件的不同组合构成。
总的来说，单相交流电路中的负载通常是电阻、电感和电容的组合，这些元件的不同组合形成了各种各样的电路特性和行为。理解这些基本的电路元件和它们如何相互作用是理解和设计交流电路的关键。
以正弦信号为例，单相交流电路中的平均功率，也称为有功功率，在求解过程中需要知道三个关键参数：交流电压的有效值，交流电流的有效值，以及电流与电压之间的相位差。相位差决定了功率因数，它反映了实际功率与理论功率之间的比率。
在计算单相交流电路的平均功率时，对于纯电阻性负载，如白炽灯或加热器，电流和电压是同相的，即没有相位差（=0°），此时功率因数为1（=1），所以平均功率就是电压和电流有效值的乘积（）。而对于包含电感或电容的电路，电流和电压将存在相位差，因此必须考虑功率因数。在这种情况下，有功功率计算公式为。如果电路中的负载具有电感性或电容性，那么电流将滞后或超前于电压，使得小于1，从而减少了实际的有功功率。总之，通过测量交流电路的电压和电流的有效值以及确定它们之间的相位差，我们可以准确计算出单相交流电路的平均功率，从而了解设备消耗电能的速率。
在计算单相交流电路的瞬时功率时，对于正弦信号而言，当电流和电压同相（即相位差）时，瞬时功率的计算可以通过以下步骤进行：
使用三角恒等式，可将瞬时功率的表达式进一步简化为：
从上述表达式可以看出，瞬时功率包含一个常数项和一个以频率振荡的余弦项。这意味着功率的振荡频率是电压频率的两倍。例如频率为50Hz的交流电系统，角频率。因此，输出功率的振荡频率将是100Hz。
两相交流电路
两相交流电路的电路图通常包含两个相位相差90度的电压输出，这两个输出通常被称为两相电。
两相电是由两组绕组产生的，这两组绕组垂直放置并且头尾相连，形成中心点或零线。两个非连接端点作为两个相线的输出，这两个相线的电压相差90度。两相电系统的电压有效值通常为380V，频率为50赫兹，合并后的相位差是60度、180度和300度。
两相电曾广泛应用于二十世纪早期的多相交流电系统，但现代已经不太常见，因为它与三相电相比没有太多优势。但在特定情况下，比如某些老旧设备或是特殊应用中，仍然可能会遇到使用两相电的情况。
三相交流电路
在电力系统中，我们通常使用三相交流电路来供电。这就像是有三个灯泡，它们都以相同的亮度（幅值）和速度（频率）闪烁，但每个灯泡的闪烁起点略有不同，彼此之间错开了120°的时间差。这三个灯泡的组合就形成了一个稳定的光源，为周围的环境提供持续的照明。
类似地，三相交流电路由三个电“灯泡”（即电压）组成，它们的强度（幅值）和波动速度（频率）是一样的，但它们的波动节奏（相位）是错开的，每个之间相差120°。这些电压可以表示为：
其中，是电压的最大值（峰值）， 表示电压的相位角，以度数为单位。相位角的差异反映了三相电中各相之间的相位差。这种特殊的排列方式使得整个电路能够平稳地供应电力，就像我们家里的电器一样，能够稳定运行而不会因为电力的波动而受到影响。通过这种方式，三相交流电路能够有效地向各种负载（如家用电器、工业设备等）提供电力，确保了电力系统的稳定性和效率。
在三相电系统中，有两种不同的电压类型：线电压和相电压。相电压是指三相电中单个相对零线或PE线的电压，而线电压则是任意两相之间的电压。在三相四线电中，相电压和线电压的关系是：线电压是相电压的倍。以220V和380V为例，这两个数值通常用于描述家庭和工业用电的电压。在这种情况下，220V通常指的是相电压，而380V指的是线电压。在家庭用电中，通常使用的是相电压，也就是220V，这是从相线到零线的电压。而在工业用电中，设备通常连接在两条相线之间，因此使用的是380V的线电压。
在三相四线制中，有使用一些符号用于标识不同的电线和它们的功能。三条相线通常用符号表示。零线则用表示，它是为了平衡三相负载，提供返回路径。PE线则用或表示，它是保护接地线，当电气设备发生故障时，可以有效地导走漏电，保护人身安全。
在三相交流电路中计算平均功率，以正弦信号为例，需要知道三个关键参数：电压、电流和两者之间的相位差。将每相的电压和电流乘以它们的功率因数，再把结果加在一起，就得到了总的平均功率，计算公式为，这里的是因为三相电之间的特殊关系而来的。
简单来说，想要计算三相交流电路的平均功率，就需要把三个相的电能量加起来，考虑到电流和电压是否完全同步（相位差为0）以及电路的一些特性，这样就可以得到整个电路消耗或者产生的平均功率。
应用
交流电之所以在现代生活中无处不在，是因为它通过变压器调节电压，适合高效远距离传输，并且使交流电机的构造更为经济。此外，需要直流电的设备也能通过整流器方便地从交流电源获取电力。简而言之，交流电路在能源生成、输电等应用方面提供了无与伦比的便利和效率。
变压器
变压器是以互感现象为基础的电磁装置，连接到电源上的称为原电感线圈，连接到负载上的称为副线圈。在交流电源的作用下，在原线圈内产生交变电流，从而在铁芯内激发交变的磁通量。交变的磁通量又在副线圈内产生感应电动势和感应电流，它反过来通过互感磁通又影响到原线圈，这便是变压器工作时的基本过程。
变压器在电力工程和无线电技术中扮演着重要的角色。首先，它的主要功能是变电压、变电流和变阻抗。这就意味着，通过变压器，我们可以将高电压或大电流的电能转换为低电压或小电流的电能。这种转换使得电能可以在不同设备之间安全有效地传输。其次，变压器还被用于电路间的耦合。在无线电技术中，变压器可以用来耦合不同的电路，使得它们可以共享或交换电能。这样，一个电路中的信号可以被传递到另一个电路中，从而实现信息的传输。总的来说，变压器是实现电能转换和信息传输的重要工具，它在电力工程和无线电技术中发挥着不可替代的作用。
电力传输
在电力传输过程中，尤其是远距离传输，能够通过变压器将交流电的电压提升至较高水平，这样做可以显著减少输电线路的能量损失。高电压传输意味着在输送相同功率的情况下，电流会降低，从而减少了线路的功率损耗（根据公式，其中是功率损耗，是电流，是电阻）。因此，高电压传输有助于提高能源效率，使得电能传输更加经济和可靠。
交流电在电力系统的产生、传输和利用上具有独特的优势，这些优点使得它成为电力工业的首选。例如，交流电机相较于直流电机更加经济、简便且易于制造。更重要的是，交流电可以使用变压器来方便地变换电压，这是它被广泛应用于电力传输的关键原因。
尽管交流电在许多领域都有应用，但并非所有场合都适合使用交流电。例如，在电化工厂中进行的电镀、电解以及蓄电池充电等过程，就必须使用直流电。然而，即便是在这些需要直流电的场所，通常也会将电厂送来的交流电通过整流设备转换成直流电后再使用。
参考资料
西门子能源历史沿革.siemens energy.2024-05-24
[科普中国]-交流电.科普中国.2024-05-24