人教版选修二 3.3 变压器 课件（52张PPT）

(共52张PPT)
第三章 交变电流
3.3 变压器
新课引入
高压输电：U > 100 KV
家庭用电：U = 220 V
手机充电：U = 5 V
改变交流电压的装置——变压器
01
变压器的结构和工作原理
交变电流
副线圈
原线圈
U2
R
n1
n2
示意图
可拆式变压器
闭合铁芯 ：绝缘硅钢片叠合而成（由涂有绝缘漆的硅钢薄片叠合而成）
原线圈n1 ( 初级线圈 )：接交流电源
副线圈n2( 次级线圈 )：接用电器（负载）
变压器
U1
铁芯
一.变压器的结构
n1
n2
n1
n2
无铁芯
有铁芯
电路符号
U1：输入电压 U2：输出电压
U2
R
1. 原副线圈不相通，给原线圈接交变电压U1后，副线圈电压U2 是如何产生的？
2. 若给原线圈接直流电，副线圈还能否产生电压？
3. 一定要有铁芯，副线圈才能产生电动势？铁芯起着怎样的作用？
B感 变化
B原 变化
I
铁芯作用：磁感线经过铁芯构成磁回路,使整个磁路的磁场强度达到最大。（由于磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，大大提高了变压器的效率）
工作原理：互感现象（电磁感应）
U1
n1
n2
二.变压器的工作原理
原线圈
接
交流电
原线圈中的磁场发生改变
在铁芯中
产生变化
的磁通量
副线圈产生
感应电动势
副线圈的
磁通量
发生改变
副线圈
有
感应电流
变压器的工作原理
U2
U1
×
～
——互感现象
4. 变压器在运行时，哪些地方有能量损耗呢？
5. 若不计能量损耗，变压器原副线圈中能量如何转化？
U2
R
U1
n1
n2
原线圈电能
副线圈电能
磁场能
理想变压器的能量转化：
不计能量损耗，线圈电阻
磁损： 漏磁损失能量
铁损： 涡流现象发热
铜损： 线圈电阻发热
能量损耗
主要
(U1、I1)
(变化的磁场)
( U2、I2)
铁芯是否变压器的必要组成部分？
没有铁芯，并排放置的原、副线圈也发生互感现象，但是大部分磁感线都流失在线圈外，故传输电能的效率太差；而铁芯存在，使绝大部分磁感线集中在铁芯上，大大增强了变压器传输电能的效率。
U1
U2
想一想
02
理想变压器
交变电流
1、理想变压器特点：
（1）无铜损：原、副线圈不计内阻，不产生热量。
（2）无铁损：忽略铁芯产生的热量。
（3）无磁损：变压器铁芯内无漏磁，原、副线圈磁通量无差别。
实际变压器（特别是大型变压器）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97%~99%，所以理论研究时我们把它当成100%（理想变压器）是没有问题的。
理想变压器
——没有能量损失的变压器
P入＝P出
变压器自身的能量损耗不计，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。
一.理想变压器
若给原线圈接交变电动势 e1 =Em sinωt，则副线圈电动势e2 多大？
U2
R
B2 =Bmsinωt
U1
n1
n2
e1 =Em sinωt
B1 =Bmsinωt
由法拉第电磁感应定律，得：
不考虑原副线圈的电阻的理想变压器原、副线圈的电压：
变压器作用：改变交流的电压，不改变周期和频率
n2 > n1 U2 > U1 ── 升压变压器
n2 < n1 U2 < U1 ── 降压变压器
二.理想变压器的规律——电压、功率和电流的制约关系
此式无论副线圈一端是空载还是负载，都适用。
理想变压器
功率制约：
P入 = P出
原线圈电能全部转化为副线圈电能
电压制约：
线圈两端电压之比等于匝数之比
“一原一副”
的电流制约：
U1 I1 = U2 I2
原副线圈的电流跟匝数成反比
I1
I2
U2
n1
n2
R
U1
此式只适用于一个副线圈的变压器
I2
n2
U2
I1
n1
U1
I3
n3
U3
“一原多副”的理想变压器
任意两线圈两端电压之比等于匝数之比
由 P入 =P出 得
原线圈电能全部转化为两副线圈电能
多副线圈的理想变压器
注意：（1）理想变压器只传输能量，本身不是用电器。
（2）变压器只能改变交变电流，若初级线圈加直流电压，则次级线圈输出电压为0.
以上关系是有效值间的关系，对最大值也适用，但对某时刻的瞬时值其关系不成立。
★注意：四个决定
(1)原线圈电压U1由提供原线圈电压的电源决定．
(2)副线圈电压U2由原线圈电压U1及匝数比决定，与副线圈所接负载无关．
(3)副线圈电流I2由副线圈电压U2和副线圈负载决定
(4)原线圈电流I1由副线圈电流I2决定．
变压器的应用
变电站的大型变压器
小家电中的变压器
实际应用中需要改变交流电压的场合是很多的。大型发电机发出的交流，电压为几万伏。而用电器使用电压不一样。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。
无线充电技术原理
初级线圈
次级线圈
输出
感应电流
输入
交流电
手机开始充电时，底座同时亮起了一圈呼吸灯，互感。
例1：理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，下列说法中正确的是（ ）
A．穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1
B．穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等，但穿过每匝线圈的磁通量并不相等
C．原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1
D．正常工作时，原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1
I1
I2
U2
n1
n2
R
U1
D
例2：一理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2＝11∶5，原线圈与正弦交变电源连接，输入电压u如图所示。副线圈仅接入一个R=10 Ω的电阻，则
(1)变压器的输出电压表达式
(2)交流电压表的示数
(3)电阻R的热功率
(4)原线圈的电流
(5)变压器的输入功率
n1
n2
R
u
V
例3：如图所示，理想变压器原线圈的匝数为n1 =1 000匝，两个副线圈的匝数分别为n2＝50匝和n3＝100匝，L1是“6 V　2 W”的小灯泡，L2是“12 V　4 W”的小灯泡。当原线圈接上交变电压时，L1、L2都正常发光，那么，原线圈中的电流为（ ）
C
03
理想变压器的动态分析
交变电流
变压器原副线圈各量制约关系：
U1由电源决定
U2由U1与匝数比决定
I2P2由U2与负载决定
（副线圈电路计算中，副线圈相当于电源）
I1P1由I2P2决定
（输入功率由输出功率决定，即用多少给多少）
动态分析顺序
即变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入”，即用户消耗多少，原线圈就提供多少。
U1
n1
n2
U2
n1
U1
I1
P1
n2
U2
I2
P2
（1）匝数比不变的情况(如图所示)
常见理想变压器的两种动态问题分析法
（2）负载电阻不变的情况(如图所示)
例4:如图所示，负载变化时理想变压器的输入电压不会有大的波动，分析下列情况中，各表的读数变化情况(填“变大”、“变小”或“不变”)
（1）S 断开，R 1 变大: ① V1 ; ② V2 ; ③ A1 ; ④ A2 。
（2）S 闭合 : ① V1 ; ② V2 ; ③ A1 ; ④ A2 。
动态问题的分析思路:
U1
U2
I2
I1
输入电压U1决定输出电压U2
决定
输出功率P出 决定输入功率 P入
输出电流 I2 决定输入电流 I1
P入 = P出 （U1 I1 = U2 I2）
不变
不变
变小
变小
不变
不变
变大
变大
V2
R1
R2
S
A1
V1
A2
e
审题导析
1.交流电压（流）表只能表示交变电流的有效值.
2.可用变压器的知识结合欧姆定律来判断电压（流）表的变化.
【真题】 (2012·福建卷，14)如图所示，理想变压器原线圈输入电压u＝Umsin ωt，副线圈电路中R0为定值电阻，R是滑动变阻器. V1和V2是理想交流电压表，示数分别用U1和U2表示； A1和A2是理想交流电流表，示数分别用I1和I2表示．下列说法正确的是(　　)．
A．I1和I2表示电流的瞬时值
B．U1和U2表示电压的最大值
C．滑片P向下滑动过程中,U2不变、I1变大
D．滑片P向下滑动过程中,U2变小、I1变小
(1)保持Q位置不动，说明了哪些物理不发生变化？
审题设疑
(2)保持P位置不动，表明哪些物理量不会变化？
B
含有变压器的动态电路问题的解题思路
方法提炼
『判一判』
(1)变压器的工作原理是电磁感应。 (　　)
(2)变压器的工作基础是互感现象。 (　　)
(3)各种电流接入变压器的输入端，变压器都能正常工作。 (　　)
(4)原线圈的电压不随副线圈的输出电流的变化而变化。 (　　)
(5)原线圈的电流随副线圈的输出电流的增大而增大。 (　　)
(6)理想变压器的原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈。 (　　)
√　
√　
×　
√　
√　
×　
04
自耦变压器
交变电流
如图所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压。
U2
U1
A
B
P
自耦变压器
U1
U2
n1
n2
升压变压器
n1
n2
U1
U2
降压变压器
自耦变压器（电压可连续调节）
例5：一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈．通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈。在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2，在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中（ ）
A.U2>U1，U2降低
B.U2>U1，U2升高
C.U2D.U2C
U1
～
M
N
c
a
b
d
U2
～
例6：自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分。一升压式自耦调压变压器的副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为1 900匝；原线圈为1 100匝，接在有效值为220 V的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0 kW。设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别约为（ ）
A．380 V和5.3 A　 B．380 V和9.1 A
C．240 V和5.3 A D．240 V和9.1 A
B
05
电压互感器与电流互感器
交变电流
交流电压表的有一定的量度范围，不能直接并联到高压电测量其电压值。那么如何用交流电压表间接地测量出高压电的电压值？
V
地线
火线
n2
n1
U1
U2
电压互感器
交流电流表的有一定的量度范围，不能直接串联到在大电流电路中的电流值。那么如何用交流电流表间接地测量出大电流电路中的电流值？
电流互感器
地线
火线
A
n2
n1
I2
I1
钳形电流表是一种电流互感器
电流互感器
地线
火线
A
n2
n1
I2
I1
串联
接地
V
地线
火线
n2
n1
U1
U2
电压互感器
并联
接地
电压互感器
(1)构造：小型降压变压器，如图所示。
(2)接法：原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表；为了安全，外壳和副线圈应接地。
(3)作用：将高电压变为低电压，通过测量低电压，计算出高压电路的电压。
电流互感器
(1)构造：小型升压变压器，如图所示。
(2)接法：原线圈串联在被测电路中，副线圈接电流表，为了安全，外壳和副线圈应接地。
(3)作用：将大电流变成小电流，通过测量小电流，计算出被测电路中的大电流。
钳式电流表
06
变压器与分压器
交变电流
n1
n2
a
b
d
c
变压器
工作原理：互感现象
e
f
g
h
分压器
工作原理：串联电阻分压
例7：如图甲、乙所示电路中，当A、B接10 V交变电压时，C、D间电压为4 V，M、N接10 V直流电压时，P、Q间电压也为4 V。现把C、D接4 V 交流，P、Q接4 V直流，下面哪个选项可表示A、B间和M、N间的电压（ ）
A．10 V　10 V　　　　 B．10 V　4 V
C．4 V　10 V D．10 V　0 V
B
例8:(多选)为保证用户电压稳定在220 V，变电所需适时进行调压，图甲为调压变压器示意图。保证输入电压u1不变，当滑动接头P上下移动时可改变输出电压。某次检测得到用户电压u2随时间t变化的曲线如图乙所示。以下正确的是（ ）
A．
B．
C．为使用户电压稳定在220 V，应将P 适当下移
D．为使用户电压稳定在220 V，应将P 适当上移
BD
例9:(多选)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数之比为10∶1，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想电表，从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压，其瞬时值表达式为 ，则（ ）
A.当开关与a连接时，电压表V1的示数为22 V
B.当t=1/600s时，电压表V0的读数为220 V
C. 开关与a连接，当滑片P向上移动的过程中，电压表V1的示数增大，电流表示数变小
D.当开关由a扳向b时，电压表V1和电流表的示数均变小
BC
例10:如图所示，有一矩形线圈的面积为S，匝数为N，电阻不计，绕OO′轴在水平方向的磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω做匀速转动，从图示位置开始计时．矩形线圈通过滑环接一理想变压器，滑动触头P上下移动时可改变输出电压，副线圈接有可调电阻R，下列判断正确的是 （ ）
A．矩形线圈产生的感应电动势的瞬时值表达式为e＝NBSωsinωt
B．矩形线圈从图示位置经过时间 时，通过电流表的电荷量为0
C．当P不动、R增大时，电压表读数也增大
D．当P向上移动、R不变时，电流表读数减小
B
1．如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比n1:n2=4:1，当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时，电流表A1的示数是12mA，则副线圈中电流表A2的示数是(　　)
A．3mA
B．48mA
C．零
D．与R阻值有关
C
2．手机无线充电是比较新颖的充电方式．如图所示电磁感应式无线充电的原理与变压器类似，通过分别安装在充电基座和接收能量装置上的线圈，利用产生的磁场传递能量．当充电基座上的送电线圈（原线圈）两端接上正弦式交变电压后，就会在邻近的受电线圈（副线圈）中产生感应电动势，最终实现为手机电池充电．则受电线圈（副线圈）中产生的感应电动势（　　）
A．恒定不变
B．周期性变化
C．大小不变、极性不断变化
D．极性不变、大小不断变化
B
3．如图所示为一理想变压器，原、副线圈的匝数之比为n1:n2，副线圈接一个阻值为R的电阻，则下列说法正确的是（　　）
A．若ab之间接电压恒定的电源且电压为U，则R中的电流为
B．若ab之间接交流电源且电压为U，则原线圈中的电流为
C．若ab之间接交流电源且电压为U，增大n2，则副线圈的输出功率将增大
D．若ab之间接交流电源且电压为U，增大R，则原线圈输入功率将增大
C
4．自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分。一升压式自耦调压变压器的电路如图所示，其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为2200匝；原线圈为1100匝，接在有效值为220V的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.2 kW。设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别约为（　　）
A．440V和5.3A
B．440V和10A
C．240V和5.3A
D．240V和10A
B
5．如图甲是线圈线垂直于磁场的轴在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电压图像，把该交流电压加在如图乙中理想变压器的A、B两端。已知变压器原线圈Ⅰ和副线圈Ⅱ的匝数比为5:1，交流电流表和交流电压表均为理想电表，电阻R=1Ω，其他各处电阻不计。下列说法正确的是（　　）
A．在t=0.1s和0.3s时，穿过线圈的磁通量最大
B．线圈转动的角速度为5πrad/s
C．电压表的示数为2.83V
D．电流表的示数为0.40A
BD
6．如图所示是理想变压器的示意图，副线圈有一抽头M，原线圈接交流电。第一次把灯泡A（12V、12W）接在PN之间，灯泡A恰好正常发光；第二次把灯泡B（6V、12W）接在PM之间，灯泡B恰好正常发光。对于这两次接法，下列判断正确的是（ ）
A．副线圈PN和PM两部分的匝数之比是2:1
B．副线圈分别接A、B灯泡时，通过原线圈的电流之比是1:1
C．副线圈分别接A、B灯泡时，原线圈的输入功率之比是2:1
D．副线圈分别接A、B灯泡时，穿过原线圈磁通量变化率的最大值之比为1:2
AB