FHSST 物理/磁體與電磁學/交流電
大多數電磁學學生從被稱為直流電（DC）的學習開始。在直流系統中，電流（帶電粒子的流動）方向恆定。在直流系統中，每個部分上的電壓具有恆定的極性。直流電是電池產生的那種電力（具有明確的正負極），或是在摩擦某些型別的材料時產生的那種電荷。
直流電既有用又易於理解，但它並不是唯一使用的“型別”電力。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，正負極會反轉。無論是極性交替的電壓還是方向來回切換的電流，這種“型別”電力被稱為交流電（AC）
與熟悉的電池符號被用作任何直流電壓源的通用符號一樣，圓圈內有波浪線的符號是任何交流電壓源的通用符號。
人們可能想知道，為什麼有人會費心去處理像交流電這樣的東西。確實，在某些情況下，交流電沒有比直流電更有優勢。在將電能以熱量形式耗散的應用中，電流的極性或方向無關緊要，只要負載上的電壓和電流足夠高以產生所需的熱量（功率耗散）即可。然而，使用交流電，可以建造比直流電效率高得多的發電機、電機和電力分配系統，因此我們發現交流電在世界上大多數高功率應用中占主導地位。為了解釋為什麼會出現這種情況的細節，需要一些關於交流電的背景知識。
如果一臺機器被構造為使磁場繞著一組靜止線圈旋轉，當軸旋轉時，根據法拉第電磁感應定律，將線上圈上產生交流電壓。這是交流發電機（也稱為交流發電機）的基本工作原理。
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。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，磁體旋轉得就越快，從而導致交流電壓和電流在給定時間內更頻繁地改變方向。
雖然直流發電機的工作原理與電磁感應的總體原理相同，但它們的結構並不像交流發電機那樣簡單。在直流發電機中，線圈安裝在交流發電機的磁體所在的軸上，並透過接觸旋轉軸上的銅條的靜止碳“電刷”與該旋轉線圈進行電氣連線。所有這些都是為了將線圈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。
上圖所示的發電機將在軸每旋轉一圈產生兩個電壓脈衝，這兩個脈衝方向（極性）相同。為了使直流發電機產生恆定電壓，而不是在每半圈旋轉一次時產生短暫的電壓脈衝，有多組線圈間歇地與電刷接觸。上圖比現實生活中看到的要簡化一些。
與移動線圈進行電氣接觸所涉及的問題應該是顯而易見的（火花和熱量），尤其是如果發電機的軸以高速旋轉時。如果機器周圍的大氣中含有易燃或易爆蒸氣，那麼產生火花的電刷接觸的實際問題就更大。交流發電機（交流發電機）不需要電刷和換向器來工作，因此不受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比直流電的優勢也反映在電動機上。雖然直流電機需要使用電刷與移動線圈進行電氣接觸，但交流電機不需要。事實上，交流電機和直流電機的設計與它們的發電機對應物非常相似（為了本教程的起見，它們是相同的），交流電機依賴於由交流電透過其靜止線圈產生的反轉磁場來旋轉其軸上的旋轉磁體，而直流電機依賴於電刷接觸來斷開和重新連線以每半圈旋轉（180 度）反轉透過旋轉線圈的電流。
因此，我們知道交流發電機和交流電機往往比直流發電機和直流電機更簡單。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。但交流電還有什麼用呢？除了發電機和電機的設計細節之外，它肯定還有更多用途！的確如此。有一種電磁效應被稱為互感，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在另一個線圈中感應出電壓。如果我們有兩個互感的線圈，並且我們用交流電給其中一個線圈通電，我們將線上圈中產生交流電壓。當使用時，這種裝置被稱為變壓器。
變壓器最基本的重要性在於它能夠輕鬆地將電壓從通電線圈升高或降低到未通電線圈。未通電（“次級”）線圈中感應的交流電壓等於通電（“初級”）線圈上的交流電壓乘以次級線圈匝數與初級線圈匝數的比值。如果次級線圈為負載供電，則流過次級線圈的電流正好相反：初級線圈電流乘以初級匝數與次級匝數的比值。這種關係有一個非常密切的機械類比，使用扭矩和速度分別代表電壓和電流。
如果繞組比例顛倒，使得初級線圈的匝數少於次級線圈，變壓器將“升高”源端的電壓，使其在負載端達到更高的電壓。
變壓器能夠輕鬆地升高或降低交流電壓，這使得交流電在電力分配領域具有直流電無法比擬的優勢。當在長距離傳輸電力時，以升高的電壓和降低的電流（更小的直徑的電線，電阻功率損耗更小）進行傳輸效率更高，然後將電壓降低，電流升高，供工業、商業或消費者使用。
變壓器技術使得長距離電力分配成為可能。如果沒有高效地升高和降低電壓的能力，建造電力系統將非常昂貴，只能用於近距離（最多幾英里）的使用。
變壓器雖然有用，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，因此變壓器根本無法與直流電一起工作。當然，直流電可以透過變壓器的初級繞組中斷（脈衝）以產生變化的磁場（如汽車點火系統中那樣，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。也許比任何其他原因更重要的是，這就是交流電在電力系統中得到如此廣泛應用的原因。
如果我們從正弦波圖上的任何一點跟蹤交流發電機線圈產生的變化電壓，直到波形開始重複的那一點，我們就會標記出該波的一個週期。這最容易透過跨越相同峰值之間的距離來顯示，但可以在圖形上任何對應點之間測量。圖形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旋轉時的角度位置。
由於此圖形的水平軸可以標記時間流逝以及軸的角度位置（以度數為單位），因此標記為一個週期的尺寸通常用一個時間單位來衡量，最常見的是秒或秒的幾分之一。當用作測量值時，這通常被稱為波的週期。波以度數表示的週期始終為 360，但一個週期所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測量值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），它代表一秒鐘內完成的波週期的數量。在美國，標準的電力線頻率是 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，電力系統頻率為 50 Hz，交流電壓每秒只完成 50 個週期。以 100 MHz 頻率廣播的無線電臺發射器產生以每秒 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，如果一個波的週期是 10 秒，那麼它的頻率將是 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。你可能熟悉ECG 或 EKG（心電圖）機器的外觀，醫生使用它來繪製患者心臟隨時間的振盪圖。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來自幾乎任何電壓源的電壓，以時間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。透過測量波形在示波器螢幕水平軸上的週期（以秒為單位）並取該時間值的倒數，你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變數。在我們的日常生活中更為常見的是聲音，它不過是空氣分子的交替壓縮和膨脹（壓力波），我們的耳朵將其解釋為物理感覺。由於交流電是一種波現象，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）為關聯交流概念提供了極好的類比。
在音樂術語中，頻率等效於音調。低音調的音符，如大號或巴松管發出的音符，由相對較慢（低頻）的空氣分子振動組成。高音調的音符，如長笛或哨子發出的音符，由空氣中相同型別的振動組成，只是振動速度快得多（高頻）。以下是顯示一系列常用音符的實際頻率的表格
敏銳的觀察者會注意到表格中所有具有相同字母標記的音符的頻率比為 2:1。例如，顯示的第一個頻率（以字母“A”表示）為 220 Hz。下一個最高“A”音符的頻率為 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），以及表格中找到的所有音符對。
在聽覺上，兩個頻率恰好是彼此的兩倍的音符聽起來非常相似。這種聲音上的相似性在音樂上得到了認可，音樂音階中最短的跨度，將這樣的音符對隔開，被稱為八度。遵循此規則，下一個最高“A”音符（比 440 Hz 高一個八度）將是 880 Hz，下一個最低“A”音符（比 220 Hz 低一個八度）將是 110 Hz。鋼琴鍵盤的檢視有助於將此音階置於透視中
正如你所看到的，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，與音樂之聲中羅傑斯和漢默斯坦演唱的奇幻歌曲中永垂不朽的模式相同——覆蓋了從 C 到 C 的一個八度。
雖然機電交流發電機和其他許多物理現象自然產生正弦波，但這並不是唯一存在的交流波型別。其他型別的交流“波形”通常在電子電路中產生。以下是一些示例波形及其常用名稱
這些波形絕不是唯一存在的波形。它們只是一些足夠常見以至於被賦予了不同的名稱的波形。即使在那些應該表現出“純”正弦、方波、三角波或鋸齒波電壓/電流波形的電路中，現實生活中的結果往往是預期波形的扭曲版本。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都被稱為正弦波，任何不同的波形都被稱為非正弦波。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，因此我們需要注意交流波存在各種形狀的事實。