交流电与直流电

在日常生活中，我们所使用的电脑、手机、电视等等电器，并不是直接使用从插座里出来的交流电，也就是 AC，而是由交流电转换出的直流电，也就是DC。

直流电与交流电有什么区别

纵轴代表电流或电压(上正、下负)，横轴代表时间。

如波形图所示：

  • 直流电在理论中的直流电的电流或电压波动不会随着时间的变化而产生变化，永远为一条直线。另外一种直流电是由交流电经过整流器转换而来，其电流或电压可能产生微小的波动，但是由于这些波动通常很小，所以我们仍然将由交流电转换后的直流电视为一条直线。
  • 交流电的电流或电压随时间变化而进行交替变化，在图中交流电的电流或电压随着时间的变化由一个正半周和负半周组成一个完整的周期。家用电的频率为50HZ，这里所说的50HZ即是在一秒钟有50个周期，也就是每秒交替变换50次。这也是交流电与直流电最为显著的区别。

交流电的使用场景

答案在于，在交流电系统中改变电压会十分容易。当电力的源头也就是发电厂产生电时，电压会被抬升到上万甚至几十万伏。这是因为在长距离输电时，电压越高效率也就越高，有助于降低在传输过程中造成的电力损耗。

为什么电压越高效率越高？

电子方向

要明白这个原理，就要首先知道电流与电压是什么东西：

  • 电子的方向与电路的方向相反，每个电子都会从负极出发到达正极，这图中这个电路中，电源V1的负极就像是一个水塔，他对电源内过剩的电子施加压力将多余的电子从电源挤出去。而刚从电源负极出来的电子会被后续推出来的往前挤，逐渐的沿着导线到达正极。这个施加压力的过程我们就称作电压。而电压推动电子在导线中流动的过程我们就称作电流

如图所示，我们可以在电子流动的电路中，我们可以放置一些元器件（负载）以实现特定的功能。在这个例子中，我们在电路上放置了一个12V的灯泡，将其命名为X1。当电子流经这个灯泡时，灯泡会将电能转换为热能，然后再转换为光能。然而，这并不意味着电子被灯泡“消耗掉”或者“死了”。实际上，电子在电路中是持续流动的，它们只是在通过灯泡时将部分电能转化为其他形式的能量。

可以看到我们电源的电压为12v，灯泡的电压相同，可以使灯泡电量。假如我们把电源的电压改为6V呢，如果这样当电子流经灯泡时由于其电压过低，电子流动通过速度就会降低相应的转换热能的效率也会下降，同理到最后的光能自然也没有12v电压时更亮。对于这个现象我们可以通过前人总结发现的各种公式来用数学方法进行计算，这里便不在赘述了。

同样的道理，假如我们把电源更改为220v电压呢？那么电源会在单位电荷上产生更大的能量，将更多数量的电子推动到导线中，这一过程会产生热能。当导线的熔点不足以承受相应的热能时，便会熔断，从而有可能导致火灾的发生。所以在高压电路中，导线的粗细与材料也起到至关重要的作用。如果我们的导线可以承受相应的高温，那么当电子流经灯泡时，由于灯泡只被设计为最多承受12V的电压，当电子被220V的电压推动时，灯泡可能无法承受这种高电压，导致灯泡击穿损坏，这就是我们通常所说的“烧坏了”。而导线的熔断与元器件的击穿损坏，我们统一称为线路过载。

PS:在电路中不存在压力一说，文中提到的压力是为了方便理解，本质是电源在单位电荷上产生了一定的能量，这种能量就是电压。你可以把电压想象成推动电子流动的力量，而电流就是电子流动的速度

所以回到我们的主题，当电压增加时，电子被推动得更快，也就是说电流增大。但是，电子流动得越快，导线就会变得越热。如果电流太大，导线就会过热，甚至可能熔断。要避免导线过热就要加强导线的容量(粗细)和材料,这就到导致一种水多加面，而面多加水的窘境。

变压器的作用

为了解决以上难题，变压器应运而生。

你可以把变压器运作的这个过程想象成一个水管系统。假设你有一个固定的水量（相当于电能），你可以选择使用一个小口径的水管和高水压（相当于高电压和低电流），或者使用一个大口径的水管和低水压（相当于低电压和高电流）。无论你选择哪种方式，流过水管的水量（电能）都是一样的。

所以电力公司会使用变压器高电压低电流的方式输电，在电压到达客户（这里指家庭或商业用电）之前，再次通过变压器将高电压降低到安全水平，如220v或110v，这样就可以在输电过程中减少损失。而最适合在这种复杂环境频繁转换的就是交流电

更具体地说交流电会导致电流的方向不断变化，也就是我们前面提到的正负半周运动，从而会形成一个磁场，生成感应电流，使得变压器能够正常工作。而在直流电中，电永远是一条直线且总是朝着一个方向运动，所以其感应电也十分稳定，无法被变压器影响进而导致转换直流电的电压变得困难。这便是采用交流电来进行输电的原因。

虽然有些设施采用直流电输电，但到目前为止，交流电依然为主流。是将电力送入你我家中的常见方式

为什么我们的家用电器采用直流电？

答案很简单，电器需要直流电是因为其中各种小零件，元器件，不仅仅需要能量还需要逻辑来达到某些目的。直流电只朝一个方向稳定流动的特性，让各种逻辑门成为了现实，而交流电的周期运动会改变电流方向且每次切换方向都会中断一瞬间，也就是到达我们最开始图中的纵坐标原点0V，打乱电路的逻辑。

假如交流电能够使你的电脑运行，那么你进行编程时输入的and，&&，or等等可能产生完全相反的效果甚至发生一些其他的不可名状的事情…

电器的插头(电源适配器)起到的也不仅仅是接电的作用，其内部同时带有一个叫做整流器的装置将所接受的交流电转换为直流电输出，同时也避免了直接把220v电压直接送到你娇滴滴的手机里所造成的悲剧。

在这一章我们应该学到了什么？

  • 什么是交流电
  • 什么是直流电
  • 交流电与直流电的区别
  • 什么是电压
  • 什么是电流
  • 电流与电压的关系
  • 变压器的作用
  • 为什么家用电器使用直流电
  • 电源适配器的作用