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第三章 交变电流
第3节 变压器
1.了解变压器的构造及工作原理。
2.通过实验探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系。
3.掌握理想变压器原、副线圈电压、电流、功率的关系。
4.了解几种常见的变压器。
学习任务一 变压器的原理
教材新知梳理
1. 变压器的构造:由 和绕在铁芯上的两个线圈组成,如图 所示。
(1)原线圈:线圈与 电源连接,也叫 。
(2)副线圈:另一个线圈与 连接,也叫 。
闭合铁芯
交流
初级线圈
负载
次级线圈
2. 原理: 现象是变压器的工作基础。原线圈中电流的大小、方向不 断变化,在铁芯中激发的 也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生
。
3. 作用:改变交变电流的 ,不改变交变电流的 和 。
4. 理想变压器:没有能量损耗的变压器叫 。理想变压器是一 个 。理想变压器的特点如下:
(1)没有“铜损”(线圈电阻为零,不发热);
(2)没有“铁损”(铁芯中无涡流,不发热);
(3)没有“漏磁”(磁通量全部集中在铁芯中)。
互感
磁场
感应电动势
电压
周期
频率
理想变压器
理想化模型
关键核心突破
如图所示,把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上,左边的线圈 通过开关连接到交流电源的两端,右边的线圈连接到小灯泡的两端。连接电 路,接通电源时小灯泡能发光。请思考以下问题:
(1)两个线圈并没有连接,小灯泡为什么会发光?这种设备称为什么?
(1)当左边线圈接上交流电源时,左边线圈中就有交变电流,它在铁芯中 产生周期性变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律知,在右边线圈中会产生 感应电动势,右边线圈作为电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光。这种设备 称为变压器。
(2)如果将左边的线圈改接到直流电源上,小灯泡还会发光吗?为什么? 由此说明什么问题?
(2)不能;因为左边线圈改接到直流电源时,左边线圈中就有恒定电流, 在铁芯中不会形成变化的磁场,所以在右边的线圈中不会有感应电动势产 生。由此说明变压器不能使用直流电源。
A. 原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上,是为了减少磁场能的损失,有效地传送电能
B. 铁芯不用整块金属做成,是为了防止原、副线圈短路造成危险
C. 变压器既能改变交变电流的电压大小也能改变交变电流的频率
D. 当原线圈接入大小不断变化的直流电时,副线圈也有电压输出
AD
解析:原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上,可以减少漏磁,从而减少磁场能 的损失,故A正确;铁芯不用整块金属做成,是为了防止涡流产生较多的热 量从而烧坏变压器,故B错误;变压器能改变交变电流的电压大小,但是不 能改变交变电流的频率,故C错误;当变压器原线圈接入大小变化的直流电 时,穿过原、副线圈的磁通量也变化,副线圈有电压输出,故D正确。
A. 通有正弦式交变电流的原线圈产生的磁通量不变
B. 穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等
C. 穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势
D. 原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈
C
解析:通有正弦式交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不 变,故磁通量Φ变化,故A错误;因理想变压器无漏磁,原、副线圈的磁通 量相等,故B错误;穿过副线圈的磁通量变化,在副线圈中产生感应电动 势,故C正确;原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能,原、副线圈通 过磁场联系在一起,电流不通过铁芯,故D错误。
学习任务二 实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
教材新知梳理
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。
二、实验原理
原线圈通入正弦交流电时,会在铁芯中产生变化的磁场,从而在副线圈中产 生感应电动势,副线圈中就存在输出电压。通过改变原、副线圈匝数和原线 圈两端的电压,探究原、副线圈的电压与匝数的关系。
三、实验器材
低压交流电源(小于12 V)1个、可拆变压器1个(如图甲、乙所示)、多用 电表(交流电压挡)2个、导线若干。
四、实验步骤
1. 如图所示,连接好电路,将两个多用电表调到
交流电压挡,并记录两个线圈的匝数。
2. 保持原线圈匝数不变,用多用电表电压挡测
量原线圈电压,并记录在表格中。
3. 改变副线圈匝数,用多用电表分别测量副线圈的电压,把匝数、电压的对 应数据记录在表格中。
4. 保持副线圈匝数不变,改变原线圈匝数,重复步骤2、3。
五、数据处理
1. 将不同的原、副线圈接入电路测出线圈两端的电压填入下表。
原线圈匝数n1 副线圈匝数n2 原线圈电压U1 副线圈电压U2
100 300 2 V
100 400 2 V
200 400 4 V
400 400 6 V
400 100 8 V
400 100 4 V
2. 由表格数据得出结论
(1)当原线圈匝数不变、输入电压不变时,随着副线圈匝数增加,输出电 压增大。进一步研究可知,副线圈电压与副线圈匝数成正比。
(2)当副线圈匝数不变、输入电压不变时,随着原线圈匝数增加,副线圈 输出电压变小。进一步研究可知,副线圈电压与原线圈匝数成反比。
六、误差分析
1. 由于漏磁,通过原、副线圈每一匝的磁通量不严格相等造成误差。
2. 原、副线圈有电阻,原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)造成误差。
3. 铁芯中有磁损耗,产生涡流造成误差。
4. 电表的读数存在误差。
七、注意事项
1. 在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关,再进行操作。
2. 为了人身安全,学生电源的电压不能超过12 V,不能用手接触裸露的导线 和接线柱。
3. 为了多用电表的安全,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。
关键核心突破
如图所示,观察可拆变压器,说说变压器由哪些部件构成。
变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的原线圈和副线圈组成的,与交流电源相 连的线圈叫原线圈,与负载相连的线圈叫副线圈。
【典例3】在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中:
(1)为了确保实验的安全,下列做法正确的是 (填选项前的字母)。
A. 为了人身安全,只能使用低压直流电源,所用电压不要超过12 V
B. 连接好电路后,可不经检查电路连接是否正确,直接接通电源
C. 因为使用电压较低,所以通电时可用手直接接触裸露的导线、接线柱
D. 为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡试测
D
解析:(1)为了人身安全,原线圈两端只能使用低压交流电源,所用电压 不超过12 V,故A错误;实验通电前必须先检查电路连接是否正确,B错误; 实验通电时用手接触裸露的导线、接线柱等,会将人体并联进电路中,导致 所测数据不准确,同时存在安全隐患,故C错误;使用多用电表测电压时, 先用最大量程挡试测,再选用恰当的挡位进行测量,故D正确。
(2)某实验小组通过实验,记录的数据如下表:
原线圈匝数n1/匝 100 200 400 400
副线圈匝数n2/匝 400 400 200 800
原线圈两端的电压U1/V 1.96 4.90 8.00 4.86
副线圈两端的电压U2/V 7.80 9.76 3.90 9.64
在误差允许范围内,变压器原、副
线圈的电压比等于匝数比
解析:(2)通过分析实验数据可得出的实验结论是,在误差允许范围内,变压器原、副线圈的电压比等于匝数比。
(3)一次实验中,变压器原、副线圈的匝数分别为400匝和200匝,测得的电压分别为8.00 V和3.90 V,据此可知电压比与匝数比并不相等,主要原因 是 。(至少写出两个原因)
有漏磁、铁芯发热(或导线发热等)
解析:(3)电压比与匝数比并不相等,主要原因是变压器不是理想的,漏磁、铁芯发热、导线发热等影响副线圈两端电压。
【典例4】某同学用匝数可调的可拆变压器来探究“变压器线圈两端的电压 与匝数的关系”实验:
(1)下列操作正确的是 。
A. 原线圈接学生电源直流电压,电表置于直流电压挡
B. 原线圈接学生电源交流电压,电表置于交流电压挡
B
解析:(1)变压器在交流电条件下才能正常工作,变压器在使用时,原线 圈接学生电源交流电压,故A错误,B正确。
(2)如图甲所示,一变压器的副线圈匝数模糊不清,该同学为确定其匝 数,原线圈选择“0”“8”(×100匝)接线柱,测得电源电压为10.0 V,副 线圈电压为4.9 V,则此时接入的副线圈可能是 。
A. “0”“2”接线柱 B. “0”“4”接线柱
B
(3)如图乙所示,探究铁芯在变压器中的用途时,该同学先将上方的铁芯 取出,再将铁芯缓慢向左水平推入,则观察到小灯泡亮度变化与铁芯作用分 析正确的是 。(多选)
A. 小灯泡变亮
B. 小灯泡变暗
C. 铁芯起到传送能量的作用
D. 若将铁芯换成等大的铜块,则实验现象更明显
AC
解析:(3)将铁芯缓慢向左水平推入的过程中,线圈中的磁场增强,感应电动势增大,灯泡两端的电压增大,小灯泡变亮;变压器的铁芯的作用是导磁,尽量减少漏磁,其起到传递能量的作用,故A、C正确,B错误。铜不能被磁化,因此不能导磁,若将铁芯换成等大的铜块,则实验现象不明显,故D错误。
(4)你认为该实验的系统误差主要来源是 。(写出一条即可)
见解析
解析:(4)实际的变压器的线圈与铁芯都有一定的电阻,且存在漏磁,则实验的系统误差主要来源是线圈和铁芯有一定的电阻与存在漏磁。
学习任务三 理想变压器的基本关系
教材新知梳理
1. 电压关系
当n2>n1时,U2 U1,变压器使电压升高,是升压变压器。
当n2<n1时,U2 U1,变压器使电压降低,是降压变压器。
>
<
2. 功率关系
从能量守恒看,理想变压器的输入功率 输出功率,即P入=P出。
等于
3. 电流关系
(2)当有多个副线圈时,I1U1=I2U2+I3U3+…或n1I1=n2I2+n3I3+…。
关键核心突破
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?
副线圈。因为副线圈中电流大于原线圈的电流。
A. 120 V,0.10 A
B. 240 V,0.025 A
C. 120 V,0.05 A
D. 240 V,0.05 A
D
A. 电流表的示数为1 A
D. 副线圈输出交变电流的周期为50 s
A
A. 每匝线圈中磁通量的变化率
B. 交变电流的频率
C. 原线圈的输入功率和副线圈的输出功率
D. 原线圈中的感应电动势和副线圈中的感应电动势
D
1
2
3
4
5
解析:理想变压器是没有能量损耗的变压器,所以通过每匝线圈的磁通量相 等,磁通量的变化率相等,输入功率等于输出功率,故A、C错误;根据变压 器的工作原理可知,原、副线圈中交变电流的频率相同,故B错误;由以上 分析可知,每匝线圈中的磁通量变化率相同,而原、副线圈的匝数可能不 同,故原、副线圈中的感应电动势可能不同,故D正确。
1
2
3
4
5
A. 电压表V1的示数不为零 B. 电压表V1的示数为零
C. 电压表V2的示数不为零 D. 电压表V2的示数为零
AD
1
2
3
4
5
解析:当导体棒做匀速直线运动切割磁感线时,导体棒中产生恒定的感应电 动势,所以电压表V1的示数不为零,A正确,B错误;由于导体棒中产生的感 应电动势恒定,变压器原线圈中的电流恒定,使得穿过变压器副线圈的磁通 量不变,副线圈所在回路没有感应电动势,所以电压表V2的示数为零,C错 误,D正确。
1
2
3
4
5
A. 交变电流的频率为10 Hz
B. 副线圈两端电压最大值为3 V
C. 变压器输入电压与永磁铁磁场强弱无关
D. 充电电路的输入功率大于变压器的输入功率
B
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2
3
4
5
1
2
3
4
5
C. 用电压表测原线圈两端电压,示数为5 V
D. 副线圈输出交流电压的频率是100 Hz
B
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
5. (1)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中,下列器 材在实验中不必用到的有 (多选)。
AC
解析:(1)“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”要用低压交流电 源和交流电表,不需要干电池和滑动变阻器,故选A、C。
1
2
3
4
5
(2)若在实验中用匝数n1=400匝和n2=800匝的变压器,对应的电压测量数 据如表所示。根据测量数据,下列说法正确的是 。
实验次数 1 2 3 4
U1/V 0.90 1.40 1.90 2.40
U2/V 2.00 3.01 4.02 5.02
A. n1一定是原线圈 B. n2一定是原线圈
C. n1可能是副线圈 D. n2可能是副线圈
B
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2
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4
5
1
2
3
4
5