MC2-0926-直流电(DC)是以电荷的运动方向始终不变来定义的。关于直流电,以下描述正确的是
【题目编号】MC2-0926
【题目】直流电(DC)是以电荷的运动方向始终不变来定义的。关于直流电,以下描述正确的是:
【答案】AB(多选题)
[A]直流电源的输出端有正负极之分
[B]电池提供的是直流电
[C]直流电压通常为 13.8 伏。这样的低压即使短路也没什么危害
[D]脉动直流电不含交流成分,因为电荷的运动方向始终不变
考点速览
题目先给了直流电的定义——电荷的运动方向始终不变——再问基于这个定义哪些描述成立。选项从极性、电源类型、安全性和波形成分四个方向展开,正确的是前两项。这道题的难点不在定义本身,而在后两项里各藏了一个似是而非的推论:一个把"电压低"等同于"没危险",一个把"方向不变"等同于"不含交流成分"。
方向恒定直接推出极性确定
电荷沿着一个方向持续移动,就意味着电路两端有固定的正负之分。直流电源的正极电位高于负极,电流在电源外部从正极流出、经负载回到负极(电子实际运动方向与电流方向相反,习惯上仍按电流方向叙述)。这个极性是设计出来的:三极管、集成电路、电解电容都有明确的极性要求,接反的后果从"不工作"到"炸元件"不等。所以直流设备的接线端子、插头插座都要有防呆设计,插头中心是正极还是负极,在电台与电源之间必须一致,换电源、换电源线时都要核对。
电池是标准的直流电源
干电池、碱性电池、铅酸蓄电池、锂离子电池、燃料电池,输出的电流方向都不随时间改变,是教科书式的直流电源。化学电池的开路电压由电极材料决定,与体积无关:单格铅酸约两伏,单体锂离子约三点七伏,碳锌干电池约一点五伏。要做高电压就串联,要大电流就并联或加大极板面积。给电台供电时常见的十三点八伏,本质上就是六格铅酸电池的浮充电压。
逐项辨析
选项 A 正确:方向恒定的电流必然对应确定的极性,直流电源输出端有正负极之分,"正负不能接反"这条规矩正源于此。
选项 B 正确:各类化学电池提供的都是方向不变的直流电,这一点没有疑义。
选项 C 错误:前半句是常识,后半句的推论却站不住。十三点八伏确实远低于通常所说的人体安全电压,皮肤干燥时短时间接触一般不会造成严重伤害,但"对人安全"与"对线路和设备安全"是两码事。直流电源与蓄电池的内阻极小,短路的瞬间电流可达几十安、几百安甚至上千安,汽车启动电池的瞬时放电能力就在这个量级;导线、保险座、插头会在极短时间内发烫,绝缘层熔化,铜芯发红,紧挨着的可燃物被引燃。铅酸电池短路可能引起外壳爆裂和酸液飞溅,锂离子电池短路会触发热失控(thermal runaway),先冒烟,随后起火。直流还有一个麻烦之处:交流电每半个周期经过零点,电弧在过零时容易自行熄灭;直流没有过零点,同样电压下直流电弧更难熄灭,因此直流回路的开关与保护器件另有讲究。任何直流供电回路都必须配保险丝或断路器,这条规矩与电压表上的数字无关。
选项 D 错误:脉动直流(pulsating direct current)的方向确实不变,幅度却随时间起伏。单相全波整流后未经滤波的波形就是典型:每个周期里电流都朝一个方向走,却从零涨到峰值又落回零。把这样的波形做傅里叶分解,得到的是一个直流分量加上一系列频率为工频两倍及其整数倍的交流分量,也就是常说的纹波(ripple)。滤波电容的作用正是把这些交流分量旁路掉,让输出逼近平稳的直流。用示波器打到直流耦合挡观察,纹波一目了然。"方向不变"与"不含交流成分"说的是两个层面:前者讲电流的走向,后者讲频谱的构成。
直流、交流与"恒定直流"
直流电与交流电(alternating current,AC)的分界只有一条:电流方向是否随时间周期性改变。市电每秒钟改变方向一百次(频率五十赫兹),属于交流;电池输出、整流后的脉动电流、脉宽调制后的方波电流,方向都不变,都属于直流。
同属直流,平稳程度可以差很远。干电池输出接近理想的恒定直流;整流后未滤波的是脉动直流;开关电源输出叠着高频纹波。工程上关心的是"够不够干净"——给接收机供电,纹波与杂散会直接变成可听到的噪声;给功放供电,大电流下的压降与瞬态响应决定发射质量。测量时也有讲究:万用表打到直流电压挡读到的是平均值,交流挡读到的是交流分量的有效值,两个数一起看,才能判断一路直流到底有多"脏"。
应试要点
三条判据:方向不变就是直流,方向恒定就有正负极;方向不变不等于波形平直,脉动直流里含交流分量;低压不等于无危险,短路的破坏力来自电流与能量,而不是电压表上的数字。