两种电流的故事:交流vs直流

交流电与直流电的区别

有没有想过为什么你需要一个墙壁适配器来给你的手机充电，而你的烤面包机直接插在墙上?答案就在于给你家里供电的交流电(AC)和给电子设备供电的直流电(DC)的区别。了解交流和直流之间的区别对于任何想要构建自己的数字电子设备的人都是重要的。

特斯拉vs爱迪生:美国电网未来之战

在这一点上，你可能会想，如果数字设备需要直流电路，为什么我们仍然生活在一个所有的插座输出交流电源的世界里?它与两个著名发明家尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生之间的技术之争有关。

19世纪80年代末，世界正处在一个十字路口。爱迪生在美国建立了121个直流电站。甘兹工厂刚刚用交流电线为整个罗马通电。这两种技术似乎都可行，直到西屋电气在特斯拉的交流电源专利的帮助下，极大地改进了交流配电系统。与当时的直流发电站只能在1英里半径内供电相比，由于变压器(一种可以随时改变交流电压的设备)，新的交流发电站可以将交流输电到很远的地方。更高的电压意味着更小的电流，这意味着更远距离产生的热量损失更小。当长距离高压直流电(HVDC)变得可行时，世界上的电网基本上已经改用了交流电网。有趣的是，虽然直流电压转换设备对于我们基本电网的距离规模来说仍然过于昂贵，但高压直流在极长的距离上变得更加有效，比如在国家之间的水下电缆。

什么是直流电

直流电是电荷的单向流动。电视、智能手机、笔记本电脑和其他数字设备都使用直流电源。如果你还记得学校里水箱的比喻，一个简单的水箱底部有一根水管;水将沿着一个方向从软管流出，直到水箱被清空。这类似于直流电源，就像电池向一个方向输出直流，直到其容量耗尽。

常见的直流发电技术包括:

• 用电化学方法储存能量的电池。
• 将阳光转换成直流电的光伏电池。
• 换向器和整流器等接收交流电并将其转换为直流电的设备

直流是为数字设备供电的首选电流，因为电荷的方向(因此电压的极性)保持恒定，使其更容易使用。许多数字电子元件都有极性(正极和负极)，例如晶体管。由于方向在这些组件中很重要，直流偏置对于它们正常工作是必要的。此外，直流对于低功率设备更有效，并提供恒定的电压水平。

交流电是什么?

交流电比直流电要复杂一点，因为电荷的流动方向和电压的极性会周期性地发生逆转。交流电的主要用途是在我们的电网中分配电力。你的烤面包机、烘干机和冰箱都可以直接使用交流电。

教科书上关于交流的水的比喻是一个水管连接到水泵轮的闭环，水泵轮驱动水的流动。泵迅速改变水流的方向，使水在管道内来回晃动。产生交流电的主要方法是通过一种叫做交流发电机的特殊发电机，它通过旋转一组固定的线圈周围的磁场来产生交流电法拉第电磁感应定律）.

为了正式地描述交流，有必要从波形的角度来思考。正弦波是描述交流电路最常用的波形。例如，美国的标准市电供应是120V RMS，交流频率为60Hz。60Hz指的是在一秒钟内发生的60次-170V和+170V之间的振荡。如果你要用示波器检查你的市电(警告:实际上不要试图用示波器测量你的市电插座，这可能是危险的!)和绘制电压随时间的变化，你会看到一个信号波的峰值接近170V，波谷接近-170V，这取决于你的电源线的质量。为什么170 v ?因为用来评估美国电源插座的120V数值实际上是170V市电交流波形的均方根(均方根):

V(t) = 170sin (2π60t)

RMS是用来比较交流电源的加热效果和等效的直流电源线更容易。

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在直流电路中，电荷的流动是单向的，电压是恒定的。在交流电路中，电荷的流动周期性地变化，导致电压相应地反向。现在你知道了交流和直流的区别，你就会明白为什么你所有的电子产品都必须在你的电源条上争夺适配器的位置。更重要的是，您将有坚实的基础，您需要处理更高级的主题，如需要隔离交流和直流信号在您的PCB电路降噪。尽管电子设备是由直流供电的，但重要的是要记住，在许多情况下，电路中可能需要使用交流组件。