第4节变_压_器
1.互感现象是变压器的工作基础,变压器工作时有能量损失,变压器的输出功率与输入功率之比叫做变压器的效率。理想变压器的效率为100%。
2.理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系为=。
3.如果理想变压器的副线圈只有一个,则P1=P2,即U1I1=U2I2,得出原、副线圈电流与匝数的关系为=。
4.所有变压器不改变交变电流的频率,理想变压器不改变功率。
一、变压器的原理
1.变压器的构造
由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成,如图所示。
(1)原线圈:与交流电源连接的线圈,也叫初级线圈。
(2)副线圈:与负载连接的线圈,也叫次级线圈。
2.变压器的工作原理
变压器工作的基础是互感现象,电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁场不仅穿过原线圈,也同时穿过副线圈,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。
3.作用
改变交变电流的电压。
二、电压与匝数的关系
1.理想变压器
没有能量损失的变压器,也是一个理想化模型。
2.电压与匝数的关系
理想变压器原、副线圈的电压之比,等于两个线圈的匝数之比,即:=。
3.两类变压器
副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器;副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。
三、两种互感器
1.电压互感器
把高电压变成低电压。它的原线圈并联在高压电路上,副线圈接入交流电压表,如图甲所示。
2.电流互感器
把大电流变成小电流。原线圈串联在被测电路中,副线圈接入交流电流表,如图乙所示。
1.自主思考——判一判
(1)变压器只能改变交变电流的电压,不能改变直流电的电压。(√)
(2)实际生活中,不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。(√)
(3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流,还可以改变交变电流的功率和频率。(×)
(4)理想变压器是客观存在的。(×)
(5)=适用于任何理想变压器。(√)
2.合作探究——议一议
(1)如果把变压器接入直流电路,变压器能起到变压作用吗?
提示:变压器是依据电磁感应工作的,因此只能工作在交流电路中,如果变压器接入直流电路,原线圈中的电流不变,在铁芯中不会引起磁通量的变化,就没有互感现象出现,变压器就起不到变压作用。
(2)变压器的两个线圈所用导线的粗细一样吗?
提示:不一样。高压线圈匝数多而通过的电流小,用较细的导线绕制而成;低压线圈匝数少而通过的电流大,用较粗的导线绕制而成。
(3)变压器的铁芯为什么用薄硅钢片叠压而成?
提示:为了减少损耗,变压器的铁芯常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。这样,涡流被限制在狭窄的薄片之中,回路的电阻很大,涡流大为减弱,从而减小了铁损。
变压器的工作原理及规律
1.工作原理
2.基本规律
(1)电动势关系:由于互感现象,且没有漏磁,原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的,根据法拉第电磁感应定律有E1=n1,E2=n2,所以=。
(2)电压关系:由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压U1=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以=。当有n组线圈时,则有:==…。
(3)功率关系:对于理想变压器,不考虑能量损失,P入=P出。
(4)电流关系:由功率关系,当只有一个副线圈时,I1U1=I2U2,得==。当有多个副线圈时,I1U1=I2U2+I3U3+…,得I1n1=I2n2+I3n3+…
[典例] 如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1,两个标有“12 V,6 W”的小灯泡并联在副线圈的两端。当两灯泡都正常工作时,原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想的)的示数分别是( )
A.120 V,0.10 A B.240 V,0.025 A
C.120 V,0.05 A D.240 V,0.05 A
[思路点拨] 解答本题时可按以下思路分析:
[解析] 由于灯泡正常发光,所以U2=12 V,
根据 =解得U1=240 V;
两个灯泡均正常发光,I2=2=1 A,
根据=解得I1=0.05 A,故D正确。
[答案] D
理想变压器的三点提醒
(1)变压器只能改变交变电流的电压,不能在直流电路中使用。
(2)原、副线圈的电压、电流发生变化,而频率不变。
(3)当副线圈有多个线圈时,电压关系仍适用,而电流关系式=不再适用。
1.(2017·北京高考)如图所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin 100πt(V)的交流电源上,副线圈接有R=55 Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是( )
A.原线圈的输入功率为220 W
B.电流表的读数为1 A
C.电压表的读数为110 V
D.副线圈输出交流电的周期为50 s
解析:选B 由交流电压的表达式可知,原线圈两端所加的电压最大值为220 V,故有效值为U1=220 V,由=,故副线圈电压的有效值为U2=110 V,故输出功率P2==220 W,再由输入功率等于输出功率知,P1=P2=220 W,A项错误;根据欧姆定律知,I2==2 A,由=,得I1=1 A,故电流表读数为1 A,所以B项正确;电压表的读数为有效值,即U2=110 V,C项错误;由交流电压的表达式可知,ω=100π(rad/s),又T=,解得T=0.02 s,所以D项错误。
2.[多选](2016·全国卷Ⅲ)如图,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时,两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是( )
A.原、副线圈匝数比为9∶1
B.原、副线圈匝数比为1∶9
C.此时a和b的电功率之比为9∶1
D.此时a和b的电功率之比为1∶9
解析:选AD 设灯泡的额定电压为U0,输入电压为灯泡额定电压的10倍时灯泡正常发光,则变压器原线圈的电压为9U0,变压器原、副线圈的匝数比为9∶1,选项A正确,选项B错误;由9U0Ia=U0Ib得,流过b灯泡的电流是流过a灯泡电流的9倍,根据P=UI,a、b灯泡的电功率之比为1∶9,选项C错误,选项D正确。
3.如图所示,理想变压器原线圈匝数为n1=1 000 匝,两个副线圈匝数分别为n2=50 匝和n3=100 匝,L1是“6 V 2 W”的灯泡,L2是“12 V 4 W”的灯泡,当原线圈接正弦交变电流时,两灯泡均正常发光,那么原线圈中的电流为( )
A. A B. A C. A D. A
解析:选C 由电压关系==
解得U1=120 V,
原线圈的输入功率为P入=U1I1=PL1+PL2
解得I1= A,C正确。
理想变压器的动态变化
1.电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2=。
2.电流制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定,且输入电压U1确定时,原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定,即I1=。
3.功率制约
(1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定,P2=P负1+P负2+…;
(2)总功率P入=P线+P2,即变压器的输入功率是由输出功率决定的。
4.对理想变压器进行动态分析的两种常见情况
(1)原、副线圈匝数比不变,分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况,进行动态分析的顺序是R→I2→P2→P1→I1;
(2)负载电阻不变,分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况,进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1。
[典例] 如图所示,理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R。开始时,开关S断开。当开关S接通时,以下说法中不正确的是( )
A.副线圈两端M、N的输出电压减小
B.副线圈输电线等效电阻R上的电压增大
C.通过灯泡L1的电流减小
D.原线圈中的电流增大
[思路点拨]
[解析] 由于输入电压不变,所以当S接通时,理想变压器副线圈M、N两端输出电压不变。并联灯泡L2,总电阻变小,由欧姆定律I2=知,流过R的电流增大,电阻上的电压UR=IR增大。副线圈输出电流增大,根据输入功率等于输出功率I1U1=I2U2,且I2增大,得原线圈输入电流I1也增大。UMN不变,UR变大,所以UL1变小,流过灯泡L1的电流减小。
[答案] A
理想变压器动态问题的处理方法
(1)抓住三个决定原则:输入电压U1决定输出电压U2;输出电流I2决定输入电流I1;输出功率P2决定输入功率P1。
(2)把副线圈当作电源,研究副线圈电路电阻变化。
(3)根据闭合电路的欧姆定律,判定副线圈电流的变化、功率的变化。
(4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。
1.(2016·天津高考)如图所示,理想变压器原线圈接在交流电源上,图中各电表均为理想电表。下列说法正确的是( )
A.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,R1消耗的功率变大
B.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电压表V示数变大
C.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电流表A1示数变大
D.若闭合开关S,则电流表A1示数变大,A2示数变大
解析:选B 当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,滑动变阻器连入电路的电阻R变大,则副线圈所在电路的总电阻R总变大,因原、副线圈两端的电压U1、U2不变,则通过R1的电流I2=变小,R1消耗的功率PR1=I22R1变小,选项A错误;R1两端的电压UR1=I2R1变小,则电压表V的示数UV=U2-UR1变大,选项B正确;因通过原、副线圈的电流关系=,I2变小,则I1变小,即电流表A1的示数变小,选项C错误;若闭合开关S,则副线圈所在电路的总电阻R总′变小,通过副线圈的电流I2′=变大,则通过原线圈的电流I1′变大,电流表A1的示数变大,R1两端的电压UR1′=I2′R1变大,则R2两端的电压UR2′=U2-UR1′变小,电流表A2的示数变小,选项D错误。
2.如图所示,某理想变压器的原、副线圈的匝数均可调节,原线圈两端电压为一最大值不变的正弦交流电,在其他条件不变的情况下,为了使变压器输入功率增大,可使( )
A.原线圈匝数n1增加
B.副线圈匝数n2减少
C.负载电阻R的阻值增大
D.负载电阻R的阻值减小
解析:选D 由=,P出=
可得P出=
又因为P入=P出,所以P入=
分析可得选项D正确。
3.如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为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u1=220 sin 100πt(V),则( )
A.当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为22 V
B.当t= s时,c、d间电压的瞬时值为110 V
C.单刀双掷开关与a连接,在滑动变阻器触头P向上移动的过程中,电压表和电流表的示数均变小
D.当单刀双掷开关由a扳向b时,电压表和电流表的示数均变小
解析:选A 当单刀双掷开关与a连接时,原、副线圈的匝数比为10∶1,原线圈两端的电压有效值U1= V=220 V,根据=,代入数据得U2=22 V,故电压表的示数为22 V,A正确;当t= s时,c、d间电压的瞬间值为u=220 sinV=110 V,故B错误;当单刀双掷开关与a连接,滑动变阻器触头P向上移动的过程中,滑动变阻器接入电路中的阻值变大,电压不变,电流减小,即电压表示数不变,电流表示数减小,故C错误;当单刀双掷开关由a扳向b时,原线圈匝数减小,根据=,所以U2变大,电压表和电流表的示数均变大,故D错误。
自耦变压器与互感器
1.自耦变压器
图甲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。
调压变压器就是一种自耦变压器,它的构造如图乙所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上,AB之间加上输入电压U1,移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2。
2.互感器
(1)电压互感器:如图甲所示,原线圈并联在高压电路中,副线圈接电压表。互感器将高电压变为低电压,通过电压表测低电压,结合匝数比可计算出高压电路的电压。
(2)电流互感器:如图乙所示,原线圈串联在待测大电流电路中,副线圈接电流表。互感器将大电流变成小电流,通过电流表测出小电流,结合匝数比可计算出大电流电路的电流。
[典例] 在变电所,经常要用交流电表去监测电网上的强电流,使用的仪器是电流互感器。如图所示的四个图中,能正确反映其工作原理的是( )
[解析] 电流互感器是测电流的,应串联在火线上,故B、D错误。由变压器电流关系n1I1=n2I2,要使I2n1,故A选项正确。
[答案] A
互感器的区分技巧
(1)电压互感器是降压变压器,据=,知n1>n2。
电流互感器是升压变压器,据=,知n1(2)区分电压互感器与电流互感器的三个标志
①测量仪器不同,前者○后者○。
②原副线圈匝数关系不同。
③原线圈接线方式不同,前者接在火线和零线间,后者接在火线上。
1.普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流,通常要通过电流互感器来连接,图中电流互感器ab一侧线圈的匝数较少,工作时电流为Iab,cd一侧线圈的匝数较多,工作时电流为Icd,为了使电流表能正常工作,则( )
A.ab接MN、cd接PQ,IabB.ab接MN、cd接PQ,Iab>Icd
C.ab接PQ、cd接MN,IabD.ab接PQ、cd接MN,Iab>Icd
解析:选B 电流互感器ab一侧线圈匝数比cd一侧线圈匝数少,根据电流关系得I1n1=I2n2,所以Iab>Icd,电流表应接在电流较小的一侧,故选项B正确。
2.(2016·江苏高考)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.U2<U1,U2降低 D.U2<U1,U2升高
解析:选C a、b间原线圈的匝数大于c、d间副线圈的匝数,在滑动触头由M点移动到N点的过程中,副线圈的匝数进一步减小,由变压器工作原理=知,U2<U1,且U2降低,选项C正确。
1.如图所示,可以将电压升高给电灯供电的变压器是( )
解析:选C 变压器只能对交变电流实现变压,不能对直流变压,故选项A、D错误;由于电压比与变压器线圈匝数比成正比,副线圈匝数多于原线圈匝数的变压器才能实现升压,所以选项B错误,选项C正确。
2.关于理想变压器特点的下列说法中正确的是( )
A.理想变压器能够使电压升高,同时电流变大
B.原、副线圈具有相同的磁通量及变化率,产生的感应电动势也相同
C.原、副线圈没有电阻,铁芯中不会产生涡流
D.原线圈往往匝数少,绕线粗,电流大
解析:选C 理想变压器原副线圈功率相等,即U1I1=U2I2,不可能同时使电压升高,电流增大,A错;原、副线圈匝数不同,感应电动势不同,B错;理想变压器不考虑绕线铜损,铁芯的热损,当然要求线圈无电阻,铁芯不产生涡流,C对;原、副线圈中匝数少的一边,电流大,绕线粗,但不一定作为原线圈使用,D错。
3.在如图所示的两电路中,当a、b两端与e、f两端分别加上220 V的交流电压时,测得c、d间与g、h间的电压均为110 V;若分别在c、d与g、h的两端加上110 V的交流电压,则a、b间与e、f间的电压分别为( )
A.220 V,220 V B.220 V,110 V
C.110 V,110 V D.220 V,0
解析:选B 对变压器,根据=可得Uab=220 V;对滑动变阻器来说,当gh间接上110 V电压时,ef间电压Uef=110 V,故B选项正确。
4.一输入电压为220 V,输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏了,为获知此变压器原副线圈匝数,某同学拆下烧坏的副线圈,用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈,如图所示,然后将原来线圈接到220 V交流电源上,测得新绕线圈的端电压为1 V,按理想变压器分析,该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为( )
A.1 100,360 B.1 100,180
C.2 200,180 D.2 200,360
解析:选B 对新绕线圈的理想变压器,根据变压比公式得n1===1 100,变压器烧坏前,同理n2===180,故B正确。
5.一理想变压器的原、副线圈的匝数比为3∶1,在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻,原线圈一侧接在电压为220 V的正弦交流电源上,如图所示。设副线圈回路中电阻两端的电压为U,原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k,则( )
A.U=66 V,k= B.U=22 V,k=
C. U=66 V,k= D.U=22 V,k=
解析:选A 设原线圈中电流为I1,原、副线圈电压比==3,原、副线圈电流比=,由欧姆定律可得,副线圈回路中电阻两端电压U=I2R,联立解得U=66 V。电阻消耗功率P=I2R,由于=,所以原、副线圈回路中电阻消耗功率的比值为,选项A正确。
6.如图所示,理想变压器原线圈的匝数为n1,副线圈的匝数为n2,原线圈的两端a、b接正弦式交流电源,电压表V的示数为220 V,负载电阻R=44 Ω,电流表A1的示数为0.2 A。下列判断正确的是( )
A.原线圈和副线圈的匝数比为2∶1
B.原线圈和副线圈的匝数比为5∶1
C.电流表A2的示数为0.1 A
D.电流表A2的示数为0.4 A
解析:选B 由变压器的输出功率等于输入功率可得:I1U1=I22R,可解得I2=1.0 A,原线圈和副线圈的匝数比===,故B正确,A、C、D均错误。
7.钳形电流测量仪的结构图如图所示,其铁芯在捏紧扳手时会张开,可以在不切断被测载流导线的情况下,通过内置线圈中的电流值I和匝数n获知载流导线中的电流大小I0,则关于该钳形电流测量仪的说法正确的是( )
A.该测量仪可测量直流电的电流
B.载流导线中电流大小I0=I/n
C.若钳形部分铁芯没有完全闭合,测量出的电流将小于实际电流
D.若将载流导线在铁芯上多绕几匝,钳形电流测量仪的示数将变小
解析:选C 直流电产生的磁场,通过内置线圈的磁通量不变,线圈中不产生感应电动势,选项A错误;由电流跟匝数成反比可知载流导线中电流大小I0=nI,选项B错误;若钳形部分铁芯没有完全闭合,则通过内置线圈中的磁通量变小,磁通量的变化率也变小,故产生的感应电流变小,测量出的电流将小于实际电流,选项C正确;由=,可知钳形电流测量仪的示数将变大,选项D错误。
8.如图所示,与理想变压器相连的四只灯泡相同,变压器原、副线圈的匝数比为3∶1,接在副线圈上的三只灯泡正常发光,则对于串联在原线圈上的灯泡L( )
A.比正常发光时的亮度更亮
B.也能正常发光
C.比正常发光时的亮度更暗
D.无法判断其亮度变化情况
解析:选B 灯泡L的亮度如何,主要看灯泡L的实际功率多大,在本题中就是看通过灯泡L的电流如何变化。
设每只灯泡的额定电流为I0,因并联在副线圈两端的三只灯泡正常发光,所以副线圈中的电流I2=3I0,由=得原线圈中的电流I1=I2=I0,恰为灯泡L的额定电流,因此灯泡L也正常发光。故B正确。
9.[多选](2016·海南高考)图甲所示,理想变压器的原、副线圈的匝数比为4∶1,RT为阻值随温度升高而减小的热敏电阻,R1为定值电阻,电压表和电流表均为理想交流电表。原线圈所接电压u随时间t按正弦规律变化,如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.变压器输入、输出功率之比为4∶1
B.变压器原、副线圈中的电流强度之比为1∶4
C.u随t变化的规律为u=51sin 50πt(国际单位制)
D.若热敏电阻RT的温度升高,则电压表的示数不变,电流表的示数变大
解析:选BD 由题意,理想变压器输入、输出功率之比为1∶1,选项A错误;变压器原、副线圈中的电流强度与匝数成反比,即==,故选项B正确;由题图乙可知交流电压最大值Um=51 V,周期T=0.02 s,角速度ω=100π rad/s,则可得u=51sin 100πt (V),故选项C错误;RT的温度升高时,阻值减小,电流表的示数变大,电压表示数不变,故选项D正确。
10.如图甲所示的电路中,理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1,原线圈接入图乙所示的不完整的正弦电流,副线圈接火灾报警系统(报警器未画出),电压表和电流表均为理想电表,R0和R1为定值电阻,R为半导体热敏电阻,其阻值随温度的升高而减小,下列说法中正确的是( )
A.R处出现火警时电压表示数增大
B.R处出现火警时电流表示数减小
C.图乙中电压的有效值为220 V
D.电压表的示数为11 V
解析:选D 由·+0=T,可求得图乙中电压有效值U1=110 V,由=,可得电压表示数U2=11 V,C错误,D正确;R处出现火警时,R电阻变小,副线圈电流增大,原线圈电流也随之增大,电流表示数增大,但电压表示数不变,故A、B均错误。
11.如图所示,理想变压器B的原线圈跟副线圈的匝数比n1∶n2=2∶1,交流电源电压u1=311·sin 100πt(V),F为熔断电流为I0=1.0 A的保险丝,负载为一可变电阻。
(1)当电阻R=100 Ω时,保险丝能否被熔断?
(2)要使保险丝不被熔断,电阻R的阻值应不小于多少?变压器输出的电功率不能超过多少?
解析:原线圈电压的有效值为U1= V=220 V
由=得副线圈两端的电压
U2=U1=×220 V=110 V。
(1)当R=100 Ω时,副线圈中电流
I2== A=1.10 A
由U1I1=U2I2得原线圈中的电流为
I1=I2=×1.10 A=0.55 A
由于I1<I0(熔断电流),故保险丝不会熔断。
(2)设电阻R取某一值R0时,原线圈中的电流I1刚好达到熔断电流I0,即I1=1.0 A,则副线圈中的电流为I2=I1=2×1.0 A=2.0 A
电阻R的阻值为:R0== Ω=55 Ω
此时变压器的输出功率为P2=I2U2=2.0×110 W=220 W
可见,要使保险丝F不被熔断,电阻R的阻值不能小于55 Ω,变压器输出的电功率不能超过220 W。
答案:(1)不会熔断 (2)55 Ω 220 W
12.图甲为一理想变压器,ab为原线圈,ce为副线圈,d为副线圈引出的一个接头,原线圈输入正弦式交变电压的u-t图像如图乙所示。若只在ce间接一只Rce=400 Ω
的电阻,或只在de间接一只Rde=225 Ω的电阻,两种情况下电阻消耗的功率均为80 W。
(1)请写出原线圈输入电压瞬时值uab的表达式。
(2)求只在ce间接400 Ω电阻时,原线圈中的电流I1。
(3)求ce和de间线圈的匝数比。
解析:(1)由题图乙知ω=200π rad/s,
电压瞬时值uab=400sin 200πt(V)。
(2)电压有效值U1=200 V,
理想变压器P1=P2,
原线圈中的电流I1=,
解得I1≈0.28 A。
(3)设ab间匝数为n1,则=,
同理=,
由题意知=,
联立以上各式得=,
代入数据得=。
答案:(1)uab=400sin 200πt(V) (2)0.28 A (3)