FHSST 物理學/磁體和電磁學/交流電
大多數電磁學學生從稱為直流電 (DC) 的內容開始學習。在直流電系統中，電流（帶電粒子的流動）的方向是恆定的。在直流電系統中，每個部分的電壓極性是恆定的。直流電是由電池（具有明確的正負極）產生的電力，或者是由摩擦某些型別的材料而產生的電荷。
雖然直流電實用且易於理解，但它並不是唯一使用的電力“種類”。某些電力來源（最顯著的是旋轉機電發電機）自然會產生極性交替的電壓，隨著時間的推移，正負極反轉。無論是極性反轉的電壓還是方向來回切換的電流，這種電力“種類”都被稱為交流電 (AC)
我們熟悉的電池符號被用作任何直流電壓源的通用符號，而圓圈內有波浪線的符號是任何交流電壓源的通用符號。
人們可能會想知道為什麼有人會費心去研究交流電。確實，在某些情況下，交流電並沒有比直流電有任何實際優勢。在將電力用於以熱量形式耗散能量的應用中，電流的極性或方向無關緊要，只要負載上的電壓和電流足以產生所需的熱量（功率耗散）即可。然而，使用交流電，可以製造出比直流電效率高得多的發電機、電動機和配電系統，因此，我們在全球範圍內發現交流電主要用於高功率應用中。為了解釋這樣做的細節，需要了解一些關於交流電的背景知識。
如果製造一臺機器，使磁場在轉動軸的轉動下繞著一組靜止的線圈旋轉，那麼當轉動軸轉動時，根據法拉第電磁感應定律，在該線圈上將產生交流電壓。這是交流發電機（也稱為交流發電機）的基本工作原理。
請注意，當旋轉磁體的相反極性經過時，線圈上的電壓極性是如何反轉的。當連線到負載時，這種反轉的電壓極性將在電路中產生反轉的電流方向。交流發電機的軸轉得越快，磁鐵旋轉得就越快，導致交流電壓和電流在給定時間內更頻繁地切換方向。
雖然直流發電機的工作原理與電磁感應的相同，但它們的結構並不像交流發電機那樣簡單。對於直流發電機，線圈安裝在交流發電機的磁體所在的軸上，並透過靜止的碳“刷”接觸旋轉軸上的銅條，從而建立與該旋轉線圈的電氣連線。所有這些都是為了將線圈不斷變化的輸出極性切換到外部電路，以便外部電路看到恆定的極性。
上面所示的發電機將每轉動軸一圈產生兩個電壓脈衝，兩個脈衝方向（極性）相同。為了使直流發電機產生恆定電壓，而不是每轉動半圈產生一次的短暫電壓脈衝，有多組線圈與刷子間歇接觸。上面所示的圖表比現實生活中看到的要簡單一些。
製造和斷開與移動線圈的電氣接觸所帶來的問題應該是顯而易見的（產生火花和熱量），尤其是當發電機的軸高速旋轉時。如果機器周圍的大氣中含有易燃或易爆蒸汽，那麼產生火花的刷子接觸的實際問題就更大了。交流發電機（交流發電機）不需要刷子和換向器即可工作，因此不會受到直流發電機所遇到的這些問題的困擾。
交流電在發電機設計方面的優勢也反映在電動機上。雖然直流電動機需要使用刷子來與移動線圈進行電氣接觸，但交流電動機不需要。事實上，交流電動機和直流電動機的設計與其發電機對應物非常相似（在本教程中是相同的），交流電動機依賴於交流電透過其靜止線圈產生的反向磁場來使旋轉磁體繞其軸旋轉，而直流電動機依賴於刷子接觸來製造和斷開連線，以便每轉動半圈（180 度）反轉流經旋轉線圈的電流。
因此，我們知道交流發電機和交流電動機往往比直流發電機和直流電動機更簡單。這種相對的簡單性轉化為更高的可靠性和更低的製造成本。但是，交流電還能做什麼？它一定不僅僅是發電機和電動機的設計細節吧！當然還有。有一種被稱為互感的電磁現象，即兩個或多個線圈放置在一起，使得一個線圈產生的變化磁場會在另一個線圈中感應出電壓。如果我們有兩個互感線圈，並且我們用交流電給一個線圈通電，我們將線上圈中產生一個交流電壓。當用作這種方式時，這種裝置被稱為變壓器。
變壓器的基本意義在於它能夠輕鬆地將電壓從供電線圈升高或降低到未供電線圈。未供電線圈（“次級”）上的感應交流電壓等於供電線圈（“初級”）上的交流電壓乘以次級線圈匝數與初級線圈匝數的比率。如果次級線圈給負載供電，則流經次級線圈的電流恰好相反：初級線圈電流乘以初級線圈匝數與次級線圈匝數的比率。這種關係具有非常相似的機械類比，使用扭矩和速度分別代表電壓和電流。
如果繞組比率反轉，使得初級線圈的匝數少於次級線圈，則變壓器將電壓從電源級別“升高”到負載級別。
變壓器輕鬆地將交流電壓升高或降低的能力賦予了交流電在配電領域無法比擬的優勢。當在長距離傳輸電力時，使用升高的電壓和降低的電流（更小的線徑，更少的電阻功率損耗）傳輸電力要高效得多，然後將電壓降回，電流升高，以供工業、商業或消費者使用。
變壓器技術使得遠端電力分配成為可能。如果沒有能夠有效地將電壓升高和降低的能力，建造電力系統將非常昂貴，除非用於近距離（最多幾英里）使用。
雖然變壓器很有用，但它們只適用於交流電，不適用於直流電。由於互感現象依賴於變化的磁場，而直流電 (DC) 只能產生穩定的磁場，因此變壓器 simply will not work with direct current. 當然，可以透過變壓器的初級繞組中斷（脈衝）直流電，以產生變化的磁場（如汽車點火系統中所做的那樣，從低壓直流電池產生高壓火花塞電源），但脈衝直流電與交流電並沒有太大區別。也許最重要的是，這就是交流電在電力系統中應用如此廣泛的原因。
如果我們從正弦波圖上的任意一點跟蹤交流發電機線圈產生的變化電壓，一直到該波形開始重複自身的點，我們將準確地標記該波的一個週期。最簡單的方法是在相同峰值之間跨越距離，但可以在圖上的任何對應點之間測量。圖上水平軸上的度數標記代表三角正弦函式的定義域，也代表我們簡單的兩極交流發電機軸在旋轉時的角位置。
由於該圖的水平軸可以標記時間推移以及軸的度數位置，因此一個週期的標記尺寸通常以時間單位來測量，最常見的是秒或秒的幾分之一。當表示為測量值時，這通常稱為波的週期。波的週期（以度為單位）始終為 360 度，但一個週期佔用的時間取決於電壓來回振盪的速率。
描述交流電壓或電流波的交替速率比週期更常用的量是這種來回振盪的速率。這被稱為頻率。頻率的現代單位是赫茲（縮寫為 Hz），它表示一秒鐘內完成的波週期數。在美國，標準電網頻率是 60 Hz，這意味著交流電壓以每秒 60 個完整的來回週期振盪。在歐洲，電網頻率是 50 Hz，交流電壓每秒只完成 50 個週期。一個以 100 MHz 的頻率廣播的廣播電臺發射機產生以每秒 100 百萬個週期振盪的交流電壓。
週期和頻率是彼此的數學倒數。也就是說，如果一個波的週期為 10 秒，它的頻率將為 0.1 Hz，或每秒 1/10 個週期。
一種名為示波器的儀器用於在圖形螢幕上顯示隨時間變化的電壓。您可能熟悉ECG或EKG（心電圖儀）的外觀，醫生使用它來繪製患者心臟隨時間變化的振盪。ECG 是一種專門為醫療用途而設計的專用示波器。通用示波器能夠顯示幾乎任何電壓源的電壓，以時間作為自變數繪製成圖形。當在示波器螢幕上顯示交流電壓或電流波形時，瞭解週期和頻率之間的關係非常有用。透過測量示波器螢幕水平軸上的波形週期（以秒為單位）並求其倒數，您可以確定以赫茲為單位的頻率。
電壓和電流絕不是唯一隨時間變化的物理量。聲音在我們日常生活中更為常見，它不過是對空氣分子交替壓縮和減壓（壓力波）的解釋，我們的耳朵將它解釋為一種物理感覺。由於交流電是一種波現象，因此它與其他波現象（如聲音）具有許多共同的特性。因此，聲音（尤其是結構化的音樂）為理解交流概念提供了極好的類比。
在音樂術語中，頻率相當於音高。大號或巴松管等樂器發出的低音符由空氣分子振動產生，振動速度相對較慢（頻率較低）。長笛或哨子等樂器發出的高音符由相同型別的空氣振動產生，只是振動速度快得多（頻率更高）。下表顯示了一系列常見音符的實際頻率。
敏銳的觀察者會注意到，表中所有具有相同字母名稱的音符都具有 2:1 的頻率比。例如，顯示的第一個頻率（用字母“A”表示）是 220 Hz。下一個最高音“A”的頻率為 440 Hz - 每秒正好是兩倍的聲波週期。相同的 2:1 比例適用於第一個 A 升（233.08 Hz）和下一個 A 升（466.16 Hz），以及表中找到的所有音符對。
從聽覺上來說，兩個頻率正好是彼此兩倍的音符聽起來非常相似。這種聲音相似性在音樂上得到認可，音樂音階中最短的跨度將這種音符對分開，稱為八度。遵循此規則，下一個最高音“A”（高於 440 Hz 一個八度）將是 880 Hz，下一個最低音“A”（低於 220 Hz 一個八度）將是 110 Hz。鋼琴鍵盤的檢視有助於將此音階置於透視中。
如您所見，一個八度等於鋼琴鍵盤上八個白鍵的距離。熟悉的音樂助記符（do-re-mi-fa-so-la-ti-do） - 是的，與羅傑斯和漢默斯坦在《音樂之聲》中演唱的奇想曲中永垂不朽的相同模式 - 涵蓋了從 C 到 C 的一個八度。
雖然機電交流發電機和許多其他物理現象自然會產生正弦波，但這並不是唯一存在的交流波。其他型別的交流“波形”通常在電子電路中產生。以下是一些樣本波形及其常用名稱。
這些波形絕不是唯一存在的波形。它們只是幾種足夠常見的波形，以至於被賦予了不同的名稱。即使在應該表現出“純”正弦、方波、三角波或鋸齒波電壓/電流波形的電路中，現實生活中的結果通常是預期波形失真後的版本。一些波形非常複雜，以至於無法歸類為特定的“型別”（包括與許多型別的樂器相關的波形）。一般來說，任何與完美正弦波非常相似的波形被稱為正弦波形，任何不同的波形都被稱為非正弦波形。由於交流電壓或電流的波形對其在電路中的影響至關重要，因此我們必須意識到交流波有多種形狀。