交流電路（外文名：Alternating Current (AC) Circuit）是一種電壓、電流會隨時間作周期性變化的電路。與直流電相比，交流電以某一頻率在正、負之間交變，電流不是以一個方向流動，而是不斷改變流動的方向。
1831年，英國實驗物理學(xué)家法拉第總結(jié)出了法拉第電磁感應(yīng)定律，這一發(fā)現(xiàn)對交流電路的發(fā)展具有革命性意義。進入19世紀(jì)末，尼古拉·特斯拉和托馬斯·愛迪生之間的電力戰(zhàn)爭進一步推動了交流電的應(yīng)用，對其發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。到了1895年，尼古拉·特斯拉為尼加拉瓜的一家發(fā)電站成功地制造了發(fā)電機組，這一成就使該站成為了世界著名的水電站之一。此后，交流電在工業(yè)和城市中得到了廣泛應(yīng)用。
交流電在現(xiàn)代生活中無處不在，目前所使用的電能，幾乎都是以交流電的形式產(chǎn)生的。交流電路在變壓器、電力傳輸?shù)葘嶋H應(yīng)用中有著重大的意義。在電力遠距離傳輸過程中，通過變壓器將交流電的電壓提升至較高水平，可以顯著減少輸電線路的能量損失。
基本性質(zhì)
交流電
如果電流的方向和強度作周期性的交換和變動，這種電流就叫做交變電流，又叫交流電。
在交流電路中，電流以某一頻率在正、負之間交變。電流不是以一個方向流動，而是不斷改變流動的方向。所以，由于突變電流的特性，電壓和電流之間的關(guān)系不能用這樣的式子表示。
電流、電壓和電動勢
在交流電路中，把隨時間變化的量用小寫字母表示，如電流、電壓、電動勢分別用表示；把不隨時間變化的量用大寫字母表示，如電流、電壓、電動勢、功率分別用、、、表示；把用復(fù)數(shù)表示的正弦量稱為相量，用大寫字母上加點表示電流、電壓、電動勢的相量形式，即。相量可以表示正弦量，但不等于正弦量，它只是分析和計算交流電路的一種方法。
在交流電路中，電壓和電流呈周期性變化，不同的變化規(guī)律可以產(chǎn)生不同的波形。其中最常見的為正弦交流電，波形變化滿足正弦函數(shù)，表示如下：
式中，分別是正弦交流電的電流瞬時值、振幅（最大值）、頻率和初相位。叫做交流電的相位，它是決定交流電瞬時變化狀態(tài)的物理量，為正弦交流電的角頻率。
有效值
在兩個相同的電阻上分別通上交流電流和穩(wěn)恒電流，如果在交流電的一個周期的時間內(nèi)，兩個電阻消耗的電能相等，則穩(wěn)恒電流等于交流電流的有效值。
交流電流的有效值的定義式為：
即交流電流的有效值等于它瞬時值的平方在一個周期內(nèi)的平均值的平方根，故有效值也叫方均根值。正弦交流電的有效值等于其振幅的倍。例如：，即220V的正弦曲線交流電的振幅峰值大約為311.08V。
周期和頻率
交變信號重復(fù)一次所需的時間叫周期，常用字母表示，單位是s。交變信號單位時間內(nèi)循環(huán)的次數(shù)叫頻率，常用字母表示，單位是 Hz。兩者的關(guān)系為頻率是周期的倒數(shù)。稱為信號的角頻率，用字母表示，單位為rad/s。
功率
在交流電路中，電壓和電流都在隨時間而變，因而電功率的數(shù)值也是隨時間而變。如果以瞬時電壓乘瞬時電流，即所得的電功率也是瞬時值，即
和可能出現(xiàn)同向或反向的情況，因此交流電的瞬時功率有時是正的，有時是負的。要想求出某一段時間內(nèi)電流所做的凈功，就必須先求出功率的平均值再來乘時間。因此，在計算電流的凈功時，平均功率比瞬時功率有用。
發(fā)展簡史
1824年，阿拉果進行圓盤實驗，首次采用機械方法獲得旋轉(zhuǎn)磁場。
1831年，英國實驗物理學(xué)家邁克爾·法拉第認(rèn)為既然電能夠產(chǎn)生磁，那么磁也應(yīng)該產(chǎn)生電。順著這一思路，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，又經(jīng)歷了多次失敗之后，他終于制造了人類歷史上第一個圓盤發(fā)電機并總結(jié)出了電磁感應(yīng)定律：即當(dāng)回路內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化時，回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢同總磁通量的時間變化率成正比。這一定律在理論上解釋了電與磁之間的相互作用，對交流電路的發(fā)展也具有革命性的意義。
1866年，西門子股份公司提出構(gòu)建交流發(fā)電機的設(shè)想，并由西門子公司的工人完成了第一臺交流發(fā)電機的制造。
1882年，詹姆斯·戈登建造了大型雙相交流發(fā)電機。
1883年，特斯拉進入巴黎附近的愛迪生大陸公司工作，在那里他憑靈感成功設(shè)計了第一臺感應(yīng)電動機模型。這種電動機與直流電動機完全不同，不需要碳刷與整流器的銅片摩擦來改變定子和轉(zhuǎn)子的磁極，而是通過旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子。
1884年，28歲的特斯拉前往美國，投奔到托馬斯·愛迪生的門下，然而不到10個月他便離開。特斯拉與愛迪生性格差異很大，跟其他人也合不來，更深層的原因在：愛迪生不喜歡交流電，特斯拉無法說服他。
1885年3月，費拉里斯發(fā)現(xiàn)兩相旋轉(zhuǎn)磁場現(xiàn)象，制成兩相感應(yīng)電動機模型，并進行實驗。
1885年8月，特斯拉制成一臺兩相感應(yīng)電動機模型。1887年8月，特斯拉制成一臺兩相感應(yīng)電動機。
1891年尼古拉·特斯拉來到威斯汀豪斯電氣公司深入開展他的交流電應(yīng)用研究，使威斯汀豪斯公司實現(xiàn)了交流電的長距離輸電。19世紀(jì)末，尼古拉·特斯拉和托馬斯·愛迪生之間的電力戰(zhàn)爭，對于交流電的發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。
1893年1月，在位于芝加哥的一次世界博覽會開幕禮中，特斯拉展示了交流電同時點亮了90000盞燈泡的供電能力，他也因此取得了尼亞加拉水電站電力設(shè)計的承辦權(quán)。1895年，他替尼加拉瓜發(fā)電站成功地制造了發(fā)電機組，使該發(fā)電站至今仍是世界著名水電站之一，交流電在工業(yè)和城市中得到廣泛應(yīng)用。
交流電的產(chǎn)生
交流電的產(chǎn)生方式多種多樣，每種方式都有其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，其中最常見的產(chǎn)生方式之一是使用交流發(fā)電機。此外，交流電也可以通過電學(xué)元件與電容器的結(jié)合來產(chǎn)生。無論是通過交流發(fā)電機還是電學(xué)元件與電容器的結(jié)合，這些方法都為我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)提供了穩(wěn)定可靠的電力資源。
交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電
由電磁感應(yīng)定律和楞次定律的相關(guān)知識可知，當(dāng)電感線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，穿過閉合線圈的磁通量會發(fā)生周期性變化。當(dāng)磁通量發(fā)生變化時，線圈中就會產(chǎn)生大小和方向周期性變化的感應(yīng)電流，而且感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，線圈切割磁力線，則產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。實際生活中的交流發(fā)電機其實是線圈不動而磁極轉(zhuǎn)動的，其動力來源主要是火力、水力和風(fēng)能等。
電學(xué)元件與電容器結(jié)合產(chǎn)生交流電
在電路中，利用彈簧振子周期性的運動特點和一些電學(xué)元件的特性，可以改變電容器的電容。因為電荷量與電容和電壓之間的關(guān)系是。因此，對兩邊關(guān)于時間求導(dǎo)得到電流 的表達式為：
這意味著，通過改變電容器的電容，可以在直流電路中產(chǎn)生交變電流。
相位分類
單相交流電路
單相交流電路是日常生活中最常見的電路類型，它廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室和各種電子設(shè)備中。在理想的情況，我們可能會想象電路中的負載只包含單一的元件，如純電阻、純電感或純電容。然而，實際應(yīng)用中，幾乎所有的電路負載都不是單一參數(shù)的，而是由電阻（R）、電感（L）和電容（C）三種基本元件的不同組合構(gòu)成。
總的來說，單相交流電路中的負載通常是電阻、電感和電容的組合，這些元件的不同組合形成了各種各樣的電路特性和行為。理解這些基本的電路元件和它們?nèi)绾蜗嗷プ饔檬抢斫夂驮O(shè)計交流電路的關(guān)鍵。
以正弦信號為例，單相交流電路中的平均功率，也稱為有功功率，在求解過程中需要知道三個關(guān)鍵參數(shù)：交流電壓的有效值，交流電流的有效值，以及電流與電壓之間的相位差。相位差決定了功率因數(shù)，它反映了實際功率與理論功率之間的比率。
在計算單相交流電路的平均功率時，對于純電阻性負載，如白熾燈或加熱器，電流和電壓是同相的，即沒有相位差（=0°），此時功率因數(shù)為1（=1），所以平均功率就是電壓和電流有效值的乘積（）。而對于包含電感或電容的電路，電流和電壓將存在相位差，因此必須考慮功率因數(shù)。在這種情況下，有功功率計算公式為。如果電路中的負載具有電感性或電容性，那么電流將滯后或超前于電壓，使得小于1，從而減少了實際的有功功率。總之，通過測量交流電路的電壓和電流的有效值以及確定它們之間的相位差，我們可以準(zhǔn)確計算出單相交流電路的平均功率，從而了解設(shè)備消耗電能的速率。
在計算單相交流電路的瞬時功率時，對于正弦信號而言，當(dāng)電流和電壓同相（即相位差）時，瞬時功率的計算可以通過以下步驟進行：
使用三角恒等式，可將瞬時功率的表達式進一步簡化為：
從上述表達式可以看出，瞬時功率包含一個常數(shù)項和一個以頻率振蕩的余弦項。這意味著功率的振蕩頻率是電壓頻率的兩倍。例如頻率為50Hz的交流電系統(tǒng)，角頻率。因此，輸出功率的振蕩頻率將是100Hz。
兩相交流電路
兩相交流電路的電路圖通常包含兩個相位相差90度的電壓輸出，這兩個輸出通常被稱為兩相電。
兩相電是由兩組繞組產(chǎn)生的，這兩組繞組垂直放置并且頭尾相連，形成中心點或零線。兩個非連接端點作為兩個相線的輸出，這兩個相線的電壓相差90度。兩相電系統(tǒng)的電壓有效值通常為380V，頻率為50赫茲，合并后的相位差是60度、180度和300度。
兩相電曾廣泛應(yīng)用于二十世紀(jì)早期的多相交流電系統(tǒng)，但現(xiàn)代已經(jīng)不太常見，因為它與三相電相比沒有太多優(yōu)勢。但在特定情況下，比如某些老舊設(shè)備或是特殊應(yīng)用中，仍然可能會遇到使用兩相電的情況。
三相交流電路
在電力系統(tǒng)中，我們通常使用三相交流電路來供電。這就像是有三個燈泡，它們都以相同的亮度（幅值）和速度（頻率）閃爍，但每個燈泡的閃爍起點略有不同，彼此之間錯開了120°的時間差。這三個燈泡的組合就形成了一個穩(wěn)定的光源，為周圍的環(huán)境提供持續(xù)的照明。
類似地，三相交流電路由三個電“燈泡”（即電壓）組成，它們的強度（幅值）和波動速度（頻率）是一樣的，但它們的波動節(jié)奏（相位）是錯開的，每個之間相差120°。這些電壓可以表示為：
其中，是電壓的最大值（峰值）， 表示電壓的相位角，以度數(shù)為單位。相位角的差異反映了三相電中各相之間的相位差。這種特殊的排列方式使得整個電路能夠平穩(wěn)地供應(yīng)電力，就像我們家里的電器一樣，能夠穩(wěn)定運行而不會因為電力的波動而受到影響。通過這種方式，三相交流電路能夠有效地向各種負載（如家用電器、工業(yè)設(shè)備等）提供電力，確保了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。
在三相電系統(tǒng)中，有兩種不同的電壓類型：線電壓和相電壓。相電壓是指三相電中單個相對零線或PE線的電壓，而線電壓則是任意兩相之間的電壓。在三相四線電中，相電壓和線電壓的關(guān)系是：線電壓是相電壓的倍。以220V和380V為例，這兩個數(shù)值通常用于描述家庭和工業(yè)用電的電壓。在這種情況下，220V通常指的是相電壓，而380V指的是線電壓。在家庭用電中，通常使用的是相電壓，也就是220V，這是從相線到零線的電壓。而在工業(yè)用電中，設(shè)備通常連接在兩條相線之間，因此使用的是380V的線電壓。
在三相四線制中，有使用一些符號用于標(biāo)識不同的電線和它們的功能。三條相線通常用符號表示。零線則用表示，它是為了平衡三相負載，提供返回路徑。PE線則用或表示，它是保護接地線，當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生故障時，可以有效地導(dǎo)走漏電，保護人身安全。
在三相交流電路中計算平均功率，以正弦信號為例，需要知道三個關(guān)鍵參數(shù)：電壓、電流和兩者之間的相位差。將每相的電壓和電流乘以它們的功率因數(shù)，再把結(jié)果加在一起，就得到了總的平均功率，計算公式為，這里的是因為三相電之間的特殊關(guān)系而來的。
簡單來說，想要計算三相交流電路的平均功率，就需要把三個相的電能量加起來，考慮到電流和電壓是否完全同步（相位差為0）以及電路的一些特性，這樣就可以得到整個電路消耗或者產(chǎn)生的平均功率。
應(yīng)用
交流電之所以在現(xiàn)代生活中無處不在，是因為它通過變壓器調(diào)節(jié)電壓，適合高效遠距離傳輸，并且使交流電機的構(gòu)造更為經(jīng)濟。此外，需要直流電的設(shè)備也能通過整流器方便地從交流電源獲取電力。簡而言之，交流電路在能源生成、輸電等應(yīng)用方面提供了無與倫比的便利和效率。
變壓器
變壓器是以互感現(xiàn)象為基礎(chǔ)的電磁裝置，連接到電源上的稱為原電感線圈，連接到負載上的稱為副線圈。在交流電源的作用下，在原線圈內(nèi)產(chǎn)生交變電流，從而在鐵芯內(nèi)激發(fā)交變的磁通量。交變的磁通量又在副線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，它反過來通過互感磁通又影響到原線圈，這便是變壓器工作時的基本過程。
變壓器在電力工程和無線電技術(shù)中扮演著重要的角色。首先，它的主要功能是變電壓、變電流和變阻抗。這就意味著，通過變壓器，我們可以將高電壓或大電流的電能轉(zhuǎn)換為低電壓或小電流的電能。這種轉(zhuǎn)換使得電能可以在不同設(shè)備之間安全有效地傳輸。其次，變壓器還被用于電路間的耦合。在無線電技術(shù)中，變壓器可以用來耦合不同的電路，使得它們可以共享或交換電能。這樣，一個電路中的信號可以被傳遞到另一個電路中，從而實現(xiàn)信息的傳輸。總的來說，變壓器是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和信息傳輸?shù)闹匾ぞ撸陔娏こ毯蜔o線電技術(shù)中發(fā)揮著不可替代的作用。
電力傳輸
在電力傳輸過程中，尤其是遠距離傳輸，能夠通過變壓器將交流電的電壓提升至較高水平，這樣做可以顯著減少輸電線路的能量損失。高電壓傳輸意味著在輸送相同功率的情況下，電流會降低，從而減少了線路的功率損耗（根據(jù)公式，其中是功率損耗，是電流，是電阻）。因此，高電壓傳輸有助于提高能源效率，使得電能傳輸更加經(jīng)濟和可靠。
交流電在電力系統(tǒng)的產(chǎn)生、傳輸和利用上具有獨特的優(yōu)勢，這些優(yōu)點使得它成為電力工業(yè)的首選。例如，交流電機相較于直流電機更加經(jīng)濟、簡便且易于制造。更重要的是，交流電可以使用變壓器來方便地變換電壓，這是它被廣泛應(yīng)用于電力傳輸?shù)年P(guān)鍵原因。
盡管交流電在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，但并非所有場合都適合使用交流電。例如，在電化工廠中進行的電鍍、電解以及蓄電池充電等過程，就必須使用直流電。然而，即便是在這些需要直流電的場所，通常也會將電廠送來的交流電通過整流設(shè)備轉(zhuǎn)換成直流電后再使用。
參考資料 >
西門子能源歷史沿革.siemens energy.2024-05-24
[科普中國]-交流電.科普中國.2024-05-24