第三章 第3节 变压器

问题?

生产生活中有各种变压器,有的把低压升为高压,有的把高压降为低压。变压器是如何改变电压的呢?

变压器的原理

变压器(transformer)是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的(图3.3-1)。一个线圈与交流电源连接,叫作原线圈(primary coil),也叫初级线圈;另一个线圈与负载连接,叫作副线圈(secondary coil),也叫次级线圈。

图 3.3-1 变压器的示意图

互感现象是变压器工作的基础。电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场,由于电流的大小、方向在不断变化,铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,所以尽管两个线圈之间没有导线相连,副线圈也能够输出电流。

在输入的交流电压一定时,原线圈、副线圈取不同的匝数,副线圈输出的电压也不一样,变压器由此得名。变压器原、副线圈两端的电压与线圈匝数之间有什么关系呢?

实验

探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

实验思路

可以利用教学用的可拆变压器进行探究。可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈(图 3.3-2)。

图3.3-2 教学用可拆变压器

如果原线圈输入的电压是一定的,那么副线圈上的电压与线圈匝数之间存在什么样的关系呢?显然可以改变原、副线圈的匝数,测量副线圈上的电压,试着找出它们之间的关系。

物理量的测量

1.先写出操作步骤,画出电路图。建议先保持原线圈的匝数不变,改变副线圈的匝数,研究其对副线圈电压的影响。然后再保持副线圈的匝数不变,研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。

电路图上要标出两个线圈的匝数、原线圈欲加电压的数值。要事先推测副线圈两端电压的可能数值。操作前要画好记录数据的表格。

2.连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查,并经过确认。只有这时才能接通电源。

3.为了保证人身安全,只能使用低压交流电源,所用电压不要超过 12 V;即使这样,通电时也不要用手接触裸露的导线、接线柱。

4.为了保证多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡试测,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。

数据分析

1.用表格的形式把原、副线圈的匝数与电压进行比较,寻找它们之间的关系。

2.得出探究的结果后,要力求用准确而精练的语言把它表述出来。如果可能,最好用数学关系式来表述。


从上面实验中我们发现,如果变压器原、副线圈的匝数之比不同,原、副线圈上的电压之比也不一样。那么,原、副线圈上的电压之比是否等于它们的匝数之比呢?数据没有严格遵从这样的规律。为什么呢?

你能推导出理想变压器原、副线圈中电流大小与它们的线圈匝数之间的关系吗?

其实,变压器线圈通过电流时会发热;铁芯在交变磁场的作用下也会发热;此外,交变电流产生的磁场也不可能完全局限在铁芯内。所有这些,使得变压器工作时有能量损失。但有些变压器的能量损失很小,可以忽略。我们把没有能量损失的变压器叫作理想变压器。理想变压器也是一个理想化模型。

电压与匝数的关系

实验和理论分析都表明,理想变压器原、副线圈的电压之比,等于原、副线圈的匝数之比,即

\[\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\]

变压器的输出功率与输入功率之比,叫作变压器的效率。实际上变压器的效率都是比较高的,特别是电力设备中的巨大变压器,在满负荷工作时效率可以达到 95% 以上。所以,在精度要求不太高的情况下可应用上式来计算。

如果副线圈的电压比原线圈的电压低,这样的变压器叫作降压变压器,反之则叫升压变压器。实际应用中需要改变交流电压的情况是很多的。大型发电机发出的交流电压为几万伏,而远距离输电却需要几十万伏以上的电压。各种用电设备所需的电压也不相同。电灯、电饭锅、洗衣机等家用电器需要 220 V 的电压,机床上的照明灯需要 36 V 或 24 V 的安全电压。手机的锂电池电压一般为 3.7 V,而老式电视机显像管却需要 10 kV 以上的高电压。由于有了变压器,交流的电压容易改变,所以交流得到了广泛的应用。

图 3.3-3 变压器

思考与讨论

我们知道导线可以输送电能,变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接,却将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路。在变压器中能量是如何转化的?


变压器能输送电能是利用了电磁感应。在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场,即电场的能量转变成磁场的能量;通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈,于是在副线圈上产生了感应电流,磁场的能量转化成了电场的能量。

科学漫步

无线充电技术

我们知道,变压器能通过电磁感应输送电能。当原线圈中由变化的电流激发了一个变化的磁场,电场的能量就转变成磁场的能量;当这个变化的磁场在副线圈上产生感应电流,磁场的能量就转化成了电场的能量,这样电能就从原线圈不必经过导线直接连接就转移到了副线圈。

无线充电是近年发展起来的新技术,其中一种就是基于这样的道理而产生的,只不过变压器磁场的回路是铁芯,而无线充电装置磁场的回路是空气。无线充电技术通过分别安装在充电基座和接收能量的装置上的线圈,利用产生的磁场传递能量。如果移动电话中有无线充电装置,那么把移动电话直接放在充电基座上就可以充电(图3.3-4)。对于一个没有无线充电功能的移动电话,也可以通过在移动电话端连接一个无线充电接收器,将接收器放在无线充电基座上来进行充电。打开无线充电接收器,就可以看到其内部有一个接收线圈(图3.3-5)。

图3.3-4 对移动电话进行无线充电
图 3.3-5 无线充电接收器中的线圈

目前已经有移动电话、数字照相机、电动牙刷等电子产品采用无线充电技术。随着新能源汽车的快速发展,无线充电技术在电动汽车中也将会有广泛的应用。

相比有线输电技术,无线充电器与用电装置之间不用电线连接,因而具有使用方便、减少触电危险、不易老化磨损等优点。但目前无线充电技术也存在着传输距离短、成本高、能量损耗大等不足。因此,无线充电技术还需不断地改进、发展。

练习与应用

本节共设置 5 道习题。其中第 1、4 题分别考查了理想变压器的工作原理和实际变压器的热损,进一步加深了学生对理想变压器的认识。第 2、3 题考查的是变压器电压与匝数的关系。第 5 题是把实际生活中的变压器供电问题抽象成一个理想变压器,把理想变压器的特点与闭合电路欧姆定律有机地结合起来,帮助学生学会分析实际问题的思路与方法。

 

1.变压器为什么不能改变恒定电流的电压?

参考答案:恒定电流的电压加在变压器的原线圈上时,通过原线圈的电流是恒定电流,即电流的大小和方向都不变,它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变。因此,在副线圈中不会产生感应电动势,副线圈两端也就没有电压,所以变压器不能改变恒定电流的电压。

 

2.有些机床(图 3.3-6)为了安全,照明电灯用的电压是 36 V,这个电压是把 380 V 的电压降压后得到的。如果变压器的原线圈是 1 440 匝,副线圈是多少匝?在某次实际工作时输入电压只有 220 V,则输出电压是多少?

图 3.3-6

参考答案:136 匝,20.8 V

 

3.当变压器的一个线圈的匝数已知时,可以用下面的方法测量其他线圈的匝数:把被测线圈作为原线圈,用匝数已知的线圈作为副线圈,通入交变电流,测出两线圈的电压,就可以求出被测线圈的匝数。已知副线圈有 400 匝,把原线圈接到 220 V 的交流电路中,测得副线圈的电压是55 V,求原线圈的匝数。

参考答案:1600

 

4.变压器线圈中的电流越大,所用的导线应当越粗。街头见到的变压器是降压变压器,假设它只有一个原线圈和一个副线圈,哪个线圈应该使用较粗的导线?为什么?

参考答案:降压变压器的副线圈应当用较粗的导线。根据能量守恒定律,理想变压器的输出功率等于输入功率,即 I1U1 = I2U2,降压变压器的 U2 < U1。因而,它的 I2 > I1,即副线圈的电流大原线圈的电流。所以,相比之下,为了减少热损,副线圈应用较粗的导线。

 

5.图 3.3-7 是街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压,负载变化时输入电压不会有大的波动。输出电压通过输电线输送给用户,两条输电线的总电阻用 R0 表示,变阻器 R 代表用户用电器的总电阻,当用电器增加时,相当于 R 的值减小(滑动片向下移)。如果变压器上的能量损失可以忽略,当用户的用电器增加时,图中各表的读数如何变化?

图 3.3-7

参考答案:将该街头变压器视为理想变压器,通常原线圈输入的电压 U1 恒定,V1 示数不变:由于匝数比不变,所以副线圈输出电压 U2 不变、V2 示数不变;当用户的用电器增加时,相当于 R 减小,所以 A2 示数增大:因为 U2R0 不变,I2 增大,所以 R0 上的电压增大,导致 V2 示数减小;理想变压器输入功率等于输出功率,有 U1I1 = U2I2,由于 U1U2 的值不变,I2 增大,所以 I1 增大,A1 示数增大。

文件下载(已下载 66 次)

发布时间:2022/7/26 10:43:30  阅读次数:1847

2006 - 2024,推荐分辨率1024*768以上,推荐浏览器Chrome、Edge等现代浏览器,截止2021年12月5日的访问次数:1872万9823 站长邮箱

沪ICP备18037240号-1

沪公网安备 31011002002865号