我們來分析直流電與交流電的波形，看看有何區(qū)別。
從圖1中看到，直流電壓是穩(wěn)定的，隨著時間的推移，直流電壓的大小和方向都未發(fā)生改變。
另外，從圖1中看到交流電壓也是穩(wěn)定的，但交流電壓的大小和方向隨著時間發(fā)生周期性變化。
注意：所謂大小，指的是電壓的幅值。直流電壓的幅值大小始終未發(fā)生變化，而在0到t/2半個周期內(nèi)，交流電壓的幅值大小從零變到最大值，然后再從最大值變到零。從t/2到t的后半個周期內(nèi)，電壓的方向改變了，它從零開始變到反方向的最大值，然后再變回到零。
為了準(zhǔn)確地描述交流電流和交流電壓，我們把圖1中的直流電路密封在保溫箱內(nèi)，經(jīng)過了時間t，箱體內(nèi)的溫度升高到θt。然后我們更換交流電路在箱體內(nèi)，并且使得箱體的初始溫度與直流電路試驗(yàn)的初始溫度完全一致。經(jīng)過了時間t，我們發(fā)現(xiàn)兩者的溫度完全一致，都是θt。也即：
于是我們定義，直流電流i的值為交流電流i的有效值。同理，我們定義直流電壓udc為交流電壓uac的有效值。
最有意思的是整流后的直流電壓波形，有人認(rèn)為它是交流電。其實(shí)，這也是直流電，準(zhǔn)確名稱叫做脈動直流。
所謂直流電，指的就是方向不變的電流或者電壓，并且一定要出現(xiàn)在電能供應(yīng)的環(huán)節(jié)中。
至于脈動直流，還有鋸齒波、方波等等，我們把這種脈動的直流叫做電脈沖信號，以區(qū)別于直流電。
現(xiàn)在，我們可以展開討論了。
第一：直流電相對交流電，它不存在周期性的變化，顯得更加穩(wěn)定。
這一點(diǎn)，從圖1中就能明確地看到。
對于半導(dǎo)體電子電路的供電，幾乎沒有例外，都采取直流供電。如若采用交流供電，則必須先行整流濾波，變成穩(wěn)定的直流電壓后再給電路供電。
下圖是一個典型的單片機(jī)電路：
圖2中，交流電源經(jīng)過整流濾波得到直流電源，然后再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器（直流穩(wěn)壓電源）變換，得到合適的直流工作電壓供電路使用。
利用這套方法，不管家用電器也好，工業(yè)控制器也好，甚至連我們手上正在使用的手機(jī)以及其他的電子設(shè)備，它們內(nèi)部的供電都是直流電。當(dāng)然，對于移動電子設(shè)備，其內(nèi)部要配套可充電電池，以實(shí)現(xiàn)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
第二，直流磁路與交流磁路相比更加穩(wěn)定，重要場合的繼電保護(hù)一般均采用直流供電的繼電器。
圖3中，當(dāng)線圈通電后，鐵芯與銜鐵之間會產(chǎn)生電磁吸力。電磁吸力克服反力彈簧施加的反力，使得銜鐵及觸點(diǎn)系統(tǒng)一起吸附在鐵芯上。當(dāng)線圈失電后，銜鐵和觸點(diǎn)系統(tǒng)則在反力彈簧作用下返回初始位置。
由于直流電流是穩(wěn)定的，直流磁通也是穩(wěn)定的，直流磁勢當(dāng)然也是穩(wěn)定的。因此，我們把直流電磁系統(tǒng)叫做恒磁勢系統(tǒng)。
對于直流電來說，這幾個參量都是固定值，因此，直流電的電磁吸力是恒定的。
但對于交流電又會如何？
也就是說，交流磁路的電磁吸力是不穩(wěn)定的，必須在磁極端面上安裝分磁環(huán)，使得磁通過零時它的吸力不為零。盡管如此，交流磁路中鐵芯與銜鐵之間還是會出現(xiàn)交流聲，并且會發(fā)熱。
第三，交流電產(chǎn)生的電弧比直流電產(chǎn)生的電弧更加容易熄滅。
左圖是電路圖，我們看到左側(cè)的交流電源e。根據(jù)基爾霍夫第二定律，我們可以寫出它的微分方程表達(dá)式：
在這里，表達(dá)式并不重要。重要的是觸頭開斷后的物理過程。我們設(shè)開關(guān)k在t=0時刻打開，于是在k的觸頭間出現(xiàn)電弧。
右圖中的u是電源電壓波形，uh是電弧電壓波形。
電弧其實(shí)就是空氣原子被電離，它包括電子和正離子。電子是負(fù)離子，質(zhì)量較輕跑得快，丟失了電子后的原子是正離子，它的質(zhì)量大跑得慢。
當(dāng)電壓處于正半周時，右圖中左側(cè)設(shè)為陽極，右側(cè)設(shè)為陰極。正離子從陽極出發(fā)奔向陰極，負(fù)離子則從陰極出發(fā)奔向陽極。由于正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)離子，因而正離子跑得慢，它會在陽極附近產(chǎn)生堆積。
當(dāng)電壓過零時，氣體的電離過程停止，正負(fù)粒子也都停在原位并復(fù)合。殘留的正離子堆積在原先的陽極附近。
當(dāng)電壓進(jìn)入負(fù)半周時，原先的陽極變成陰極，它要發(fā)射電子（負(fù)離子），然而在陰極附近卻存在正離子的阻擋層，負(fù)離子的發(fā)射在很短的一段時間內(nèi)受阻，電弧的重新起燃也受阻。
這種效應(yīng)叫做交流電弧的近陰極效應(yīng)。
正是有了近陰極效應(yīng)，所以用于低壓交流電的各種開關(guān)電器，尤其是低壓斷路器，都具有一定程度的電弧限流特性。這種特性對于直流電來說，卻毫無用處，畢竟直流電不存在過零過程。
由此可見，直流電弧的熄滅要比交流電弧的熄滅困難得多。
第四，交流電的電壓變換通過變壓器實(shí)現(xiàn)，比直流電更加容易。
變壓器，人盡皆知。
在交流配電網(wǎng)中，用變壓器變換電壓非常方便，這是交流電得到廣泛應(yīng)用的最主要原因之一。
關(guān)于變壓器，有一個很重要的值，就是4.44。這個常數(shù)的來源幾乎成了職場新人入職首日必考的內(nèi)容。我來簡單解釋一下：
變壓器的一次回路感應(yīng)電動勢em有如下關(guān)系：
圖5是某醫(yī)院的配電系統(tǒng)圖。我們看到tn-s的配電網(wǎng)中用變壓器變換為it接地系統(tǒng)，為手術(shù)室供電。如此一來，手術(shù)室中哪怕發(fā)生了單相接地故障，也不會因此而停電，系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行。
這種做法，直流電系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)的。
第五，交流電驅(qū)動的三相鼠籠式電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定且工作可靠，比直流電動機(jī)更容易控制，得到廣泛的運(yùn)用，由此促進(jìn)了交流電的廣泛運(yùn)用。
在我的書《低壓成套開關(guān)設(shè)備的原理及其控制技術(shù)》表1-22“電動機(jī)機(jī)械特性”中有如下內(nèi)容：
電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩t與頻率f1成反比。由此我們可以用變頻器來對電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，非常方便。
早先還沒有變頻器時，直流電動機(jī)的調(diào)速性能優(yōu)于交流電動機(jī)，那時不得不在交流配電網(wǎng)中構(gòu)建直流系統(tǒng)，用以驅(qū)動直流電動機(jī)。變頻器出現(xiàn)后，這種現(xiàn)象幾乎絕跡了。
看來，在電能的輸送、配電和用電中，還是交流電好。
第六，交流電驅(qū)動的照明燈具，例如日光燈，使用非常普遍，比直流電驅(qū)動的照明燈具要方便得多，這也是交流電被廣泛使用的原因之一。
圖6是日光燈電氣原理圖。我把日光燈的工作原理簡單地描述一下：
1)當(dāng)電源接通后，我們看到燈管內(nèi)是沒有通路的，所以220v電壓就會通過a端和b端的燈絲連接到氖泡ne上。氖泡內(nèi)的氖氣擊穿電壓大約在150v到200v之間，現(xiàn)在氖泡兩極之間加載的電壓是220v，所以氖氣被擊穿進(jìn)入輝光區(qū)域，并且持續(xù)發(fā)熱。發(fā)熱使得氖泡內(nèi)的雙金屬片電極接觸到一起，氖泡電壓降瞬間變?yōu)榱悖逝輧?nèi)的氖氣放電停止，溫度迅速下降，雙金屬片電極打開。
2)當(dāng)氖泡內(nèi)的雙金屬片電極打開后，線路斷開，電流減小到零。鎮(zhèn)流器m中的電感產(chǎn)生反向電動勢，反向電動勢e=-ldi/dt，因?yàn)閐i/dt的值較大，因而反向電動勢大約在1500v到2000v之間。
此電壓加載在燈管a燈絲與b燈絲之間，使得燈管中的氣體被擊穿，日光燈管內(nèi)的氣體進(jìn)入正常的輝光放電狀態(tài)，其電壓迅速下降到110v~150v。此時鎮(zhèn)流器起到穩(wěn)定電流的作用。
由于燈管壓降小于氖泡氣體的擊穿電壓，因此氖泡不再工作。
這是在交流電源下日光燈管的工作過程。
如果把電源換成220v直流電，又會怎樣呢？
在直流電源下，氖泡的工作過程和燈管被擊穿的過程與交流電源一致。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時，由于是直流電壓電感起不到鎮(zhèn)流作用，燈光電壓較高，氖泡將再次擊穿。
注意到氖泡的放電與燈管的放電是并聯(lián)關(guān)系。因?yàn)闊艄芊烹妼儆陂L弧放電，它的功耗大于氖泡放電的短弧，所以燈管放電會熄滅。燈管熄滅后，氖泡會再次點(diǎn)燃它，然后燈管再次熄滅，燈管進(jìn)入到點(diǎn)燃-熄滅-再次點(diǎn)燃-再次熄滅的循環(huán)狀態(tài)。
可見，直流電是無法讓日光燈正常工作的，日光燈只能用于交流電供電的場所。
注意，氖泡的放電影響到燈管的放電，可以類推到本文中第3部分直流電路的滅弧。
在直流電路中將兩個電弧并聯(lián)，則較強(qiáng)的電弧將被抑制，甚至熄滅。這種方法是很常見的直流電弧熄滅法。
圖中的h1是主弧隙，我們想象它就是斷路器的主觸頭，h2是與h1并聯(lián)的輔助弧隙。輔助弧隙h2串聯(lián)了電阻rh。
當(dāng)主觸頭和輔助觸頭分開后，線路中出現(xiàn)了兩個弧隙h1和h2。由于輔助弧隙h2影響到主弧隙h1，所以h1中的電弧會加快熄滅。當(dāng)h1電弧熄滅后，電弧電流轉(zhuǎn)入到h2弧隙中。由于受到h2串聯(lián)的電阻rh的影響，h2中的電弧也接著熄滅。這樣處理后，可以有效地抑制電感l(wèi)產(chǎn)生的開斷過電壓。
簡單地說了6條，我們可以看出，“到底是交流電好還是直流電好”，這個問題不能簡單地下結(jié)論，一定要結(jié)合實(shí)際運(yùn)用才能得到結(jié)果。
在電能傳輸和配電方面，交流電已經(jīng)處于絕對優(yōu)勢地位。在電子線路的供電方面，直流電處于絕對優(yōu)勢地位。
應(yīng)當(dāng)看到，在電力輸送方面，直流超高壓輸送電正在發(fā)展中，指不定哪一天直流輸送電也會成為現(xiàn)實(shí)，也是很難說的。