40分：甚麼是「交流電」﹖交流電的原理是甚麼﹖

現代的工業、商業、運輸、通訊設備及日常生活的電器，幾乎全是由電力公司的供電網絡提供的電力來推動。即使是利用直流電源工作的設備，如電視機、升降機等，都是先將交流電變換為直流電後才使用的，很明顯，交流電較直流電的用途更為廣泛，所以我們要認識甚麼是交流電及它的性質。

直流電(direct current)
我們可以用Crocodile Clips電腦軟件摸擬一個電池及電燈泡的電路，電路接駁方法如圖1.1所示，照電路中電流錶的指針顯示，電流是0.06A ，而電流由電池的正極流出，經過電燈泡流回電池的負極。這個電路接通後，任何時候，電流都是0.06A 。圖1.2所示就是這個電路的電流變化曲線圖，同時可以看出，電池供電電路的電流強度和方向不會因時間而有所變化，所以圖1.2又稱為電路電流的波形圖。

電流方向不因時間而有所變化的電流稱為直流電(direct current)，英文簡寫是D.C.。

圖1.2：電流變化曲線圖 圖1.1：直流電路線路圖



交流電(alternating current)
交流電流即電流在導體或半導電體內週期性地反方向流動。香港家庭用戶使用的交流電頻率為50 赫(Hertz, Hz)，即電流每秒作50 次正負極的循環交替。

交流電的波形可以是正弦波(sine wave)的、方形波(square wave)或鋸齒形波(sawtooth wave)的，某些交流電的波形是不規則或複雜形狀。家庭用戶使用的交流電是正弦波，方形波或鋸齒形波的則由某些電子訊號產生器而產生，不規則波形則是聲波產生的。

交流電電源的電壓可以用變壓器改變，這樣電壓就可以在傳送或分配時提升或下調。在遠距離的傳送中，高電壓比低電壓在導電體內損耗的能量較少，故傳送效能較高。

交流電的電壓是不斷改變的。交流電的有效值(effective value)相當於在純電阻值中消耗相同能量的直流電壓。在一個正弦波中，有效值並不等於峰值(peak value)。有效值就相當於峰值乘以0.707 ，而峰值就等於有效值乘1.414 。由於交流電的電壓不斷改變，所以交流電的瞬時值(instantanous value)就是電壓在某個時間的數值。而交流電壓的平均值是指在其正半週中所有瞬時值的平均值。




圖1.3：交流電的瞬時值 圖1.4：交流電的峰值


圖1.5：正弦波 圖1.6：方形波 圖1.7：鋸齒形波





不同種類的發電方法
太陽能發電(solar energy)
太陽能電力是由光電池(solar cell)所產生，但是單一個光電池只能產生少許的電量，所以太陽能電力站需要用很多塊光電池板組合而成。而其位置需設於大部份時間均為晴天的地方。以現時的效率，十七平方米的光電池大約可為一千人提供電力。因此在陽光足的地方就是設置太陽能發電廠的最佳選擇。


圖1.8：太陽能發電廠



核能發電(nuclear energy)
核能發電廠和煤、石油或天然氣的發電廠原理上並沒有多大分別，最主要的分別是在於核能發電廠是利用核分裂的方式產生熱，再製造出蒸氣。核分裂的意思就是原子受中子撞擊而分裂成細小的部份。

當原子互相碰撞及分裂時，它們的溫度便會上升，並產生熱能，發電廠就是利用這些熱能製造出蒸氣，蒸氣膨脹就會造成壓力推動發電機的渦輪轉動。


圖1.9：核能發電廠的結構





風力發電(wind power)

圖1.10：風渦輪

在不久之前，風力可以說是一種頗重要的發電源。在大風的地方，人們建造風車，並以此產生電力，他們用這些能量用作泵水、磨穀或進行其他工作。

但是，風並不易於控制，所以當廉價的石油開始普及化，大部份的風車就消失了。

現今的風車都是風渦輪機，設計目的是為了產生電力，風帶動接駁在發電機的渦輪，使發電機產生電流。

一個有效率的風渦輪需在不同的風力條件下都可產生電力，並要有足夠的強度抵抗雷暴所造成的破壞，而風力的發電成本是較石油發電為低。





水力發電(hydroelectric power)
水力發電是唯一不會耗盡的能源，水力發電即是利用流動的水(例如瀑布)而產生電能。電力產生出來後便要被用盡，所以水力發電廠的流水速度是由總電力的所需而決定。當水從水塘流出來後，便會流過一個末端裝有渦輪的水閘，水便會推動渦輪而產生電力。


圖1.11：水力發電廠的原理 圖1.12：水力發電廠



煤發電(coal-fired power)
煤以前是產生家居熱能的主要能源。但在一九四零至五零年間，石油和天然氣就取代煤而被廣泛使用，因為這些燃料在燃燒時造成的污染會較少。

煤亦曾用作火車及船的燃料。燃燒煤所產生的熱可使水變成蒸氣，帶動蒸氣引擎，使火車或船可以開動。


圖1.13：煤發電廠





直流電的來源
直流電的來源主要來自幾個地方，分別是電池、電池組、轉接器及電源供應器。

電池(cell)

圖1.14：不同大小的乾電池

乾電池產生電力的途徑主要來自電池內物質的化學作用，電極和電解質的化學作用中產生了離子和自由電子，令兩個電極的電子數量都不同，因而產生了電位差。當乾電池接駁到電路之後，電池內的電子就會流過電路，推動各種元件。



電池組(battery)

圖1.15：電池組

乾電池能提供的電壓及電流是固定的，因此如果電器要求較高電壓才能開動的話，我們可以把幾個乾電池串聯起來，這樣便能輸出更高的總電壓。同樣地，如果電器要較大的電流才能開動，我們也可以把幾個乾電池並聯使用，輸出更大的電流。這樣把電池組合起來的電能輸出，就稱為電池組。





配接器(adapter)

圖1.16：轉接器

轉接器的主要功用是把交流電源轉為直流電源。如果用乾電池推動一些耗電量較高的電器，電力很快便會用光，這時候便最適合使用轉接器，把交流電轉接成源源不絕的直流電，轉接器就是我們俗稱的「火牛」。轉接器的結構是兩組線圈，利用電感效應轉接出適用的電
流及電壓。



電源供應器(power supply)
電源供應器也是轉接器的一種，不同之處是在於一個電源供應器中可以隨時選擇輸出不同的電壓。在實驗室中我們最常使用的一種電源供應器就是由1.5V 至12V 的。

雖然我們常用的直流電電壓及電流都很低，對我們造成的危險性不大，但如果使用不當，都會造成很嚴重的後果。


圖1.17：電源供應器

甚麼是「交流電」﹖

兩條綫或多條綫内既電源正負交換而流通，所以叫交流電。


交流電的原理是

交流電發電機内有一塊或多塊磁鐵，每塊磁鐵都會有南北兩極，當磁鐵既南北兩極既磁力綫割過繞組既綫圈時所產生既，無論如何，交流電源永遠都唔會係導綫内定住正極和負極既，佢只可以正負交替來供電既，除非你在電路上加一個 [整流器] ，去就變佐直流電咯。

2007-07-25 22:36:16 補充：
打錯字去就變佐直流電咯。 其實係佢就變佐直流電咯。

交流電是指大小和方向都發生周期性變化的電流。不同直流電，其方向都是一樣。英文簡寫為AC。通常波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。但實際上還有應用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。


圖片參考：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/42/City_lights_in_motion.jpg/800px-City_lights_in_motion.jpg

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通常的交流是按正弦規律或余弦規律變化的，電流先由零變到最大，再由最大變到零。然後反方向由零變到最大，再由最大變為零，完成一個周期，以後是下一個周期，如此反復變化。交流電有很有優點，除可用於一些特殊的用電器，如電動機等外，它對於電的傳輸，特別是遠距離傳輸有著特別的意義。