第三节 电磁感应现象的应用
1.知道变压器的构造、理解变压器的工作原理． 2.理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题． 3.了解汽车防抱死制动系统(ABS)等电磁感应现象在生活中的应用．
一、变压器
1．变压器是把交流电的电压升高或者降低的装置．可分为升压变压器和降压变压器．
2．变压器的构造：原线圈、副线圈和闭合铁芯．
3．理想变压器的工作原理
利用电磁感应来改变交流电压．
如图2－3－1所示，原线圈n1接交变电流，由于电流的变化在闭合铁芯中产生变化的磁通量，根据法拉第电磁感应定律，从而在副线圈n2中产生感应电动势，输出不同于原线圈的电压．
图2－3－1
4．理想变压器原、副线圈基本量的关系
理想变压器 没有能量损失(铜损、铁损) 没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中)
基本关系 功率关系 原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率P入＝P出
电压关系 原、副线圈的电压比等于匝数比，公式：U1/U2＝n1/n2，与负载、副线圈的多少无关
电流关系 I1/I2＝n2/n1
频率关系 f1＝f2(变压器不改变交流电的频率)
1．变压器为什么对恒定电流不能变压？
提示：恒定电压加在变压器的原线圈上时，通过原线圈的电流大小、方向都不变，所以产生稳定的磁场，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，副线圈两端没有电压，所以变压器不能改变恒定电流的电压．
二、汽车防抱死制动系统(ABS)
1．防抱死制动系统(ABS)的组成
ABS系统由轮速传感器、电子控制模块和电磁阀三部分组成．轮速传感器采集车轮转速信号；电子控制模块把这个信号转换为反映车轮转动情况的信号，并据此向电磁阀发出指令；电磁阀根据指令调节制动器产生合理的制动力．
2. ABS系统的工作原理
轮速传感器是利用电磁感应现象测量车轮转速的．如图2－3－2所示，铁质齿轮P与车轮同步转动，它的右侧有一个绕着线圈的磁铁．一个轮齿在接近和离开磁铁时，穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中出现感应电流．随着各个轮齿的运动，磁通量的变化使线圈中产生相应的感应电流．这个电流由电流检测器D检测，送到电子控制模块中转换为车轮转速的大小和变化有关的信息，用以控制电磁阀，为制动器提供足够大却又不致把车轮抱死的制动力，有效避免了前轮丧失转向功能和后轮侧滑的现象．
图2－3－2
2．ABS系统中电流检测器D是如何获得电流的？
提示：当铁质齿轮P的一个轮齿接近磁铁时，轮齿就会被磁铁磁化，磁化的轮齿又会影响磁铁的磁场，使与检测器相连的线圈中的磁通量发生变化而产生感应电流，同理轮齿远离磁铁时也会产生感应电流．
一、理解变压器各物理量变化的决定因素
当理想变压器的原、副线圈的匝数不变时，如果变压器的负载发生变化，确定其他有关物理量的变化时，可以依据下列原则判定(如图2－3－3)．
图2－3－3
(1)输入电压U1决定输出电压U2，这是因为输出电压U2＝U1，当U1不变时，不论负载电阻R变化与否，U2也不会改变．
(2)输出电流I2决定输入电流I1，在输入电压U1一定的情况下，输出电压U2也被完全确定．当负载电阻R增大时，I2减小，则I1相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，则I1相应增大．在使用变压器时，不能使变压器次级电路短路．
(3)输出功率P2决定输入功率P1，理想变压器的输出功率与输入功率相等，即P2＝P1.在输入电压U1一
定的情况下，当负载电阻R增大时，I2减小，则变压器输出功率P2＝I2U2减小，输入功率P1也将相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，变压器的输出功率P2＝I2U2增大，则输入功率P1也将增大．
即时应用? (即时突破，小试牛刀)
一个理想变压器，原线圈输入220 V电压时，副线圈输出电压为22 V，若副线圈增加100匝后，输出电压增加到33 V，则变压器原线圈匝数为________．
答案：2000匝
二、对理想变压器任意线圈两端的电压与该线圈匝数总成正比的理解
理想变压器各线圈两端的电压与匝数成正比，不仅适用于原、副线圈各有一个的情况，而且适用于多个副线圈的情况，这是因为理想变压器的磁通量全部集中在铁芯内，穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的，因而每匝线圈产生的电动势相同，每组线圈产生的电动势都和匝数成正比；在线圈电阻不计的情况下，线圈两端的电压等于电动势，故每组线圈两端的电压都与匝数成正比．
以上结论只适用于各线圈绕在“回”字形铁芯上的情景，若线圈在“日”字形铁芯上，则上述结论不成立，因穿过各匝的磁通量不一定相同．
eq \a\vs4\al() 关于变压器原理的考查
(双选)如图2－3－4所示，一个理想变压器原线圈和副线圈的匝数分别为n1和n2，正常工作时输入和输出的电压、电流、功率分别为U1和U2、I1和I2、P1和P2.已知n1＞n2，则( )
图2－3－4
A．U1＞U2，P1＜P2 B．P1＝P2，I1＜I2
C．I1＜I2，U1＞U2 D．P1＞P2，I1＞I2
[解析] 最简单的变压器是由一个横截面为矩形的闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的，如图2－3－4所示．铁芯是用表面涂有绝缘漆的优质薄硅钢片叠合而成，原线圈和副线圈都用优质的绝缘导线绕制而成，关于理想变压器的基本规律有二：一是关于原、副线圈的两端的电压比公式为
＝ ①
在中学物理阶段，这条规律是作为实验规律给出的；二是关于理想变压器的定义：理想变压器在工作时是没有损耗的，即输出的功率P2等于输入的功率P1.
P1＝P2 ②
由电功率的公式：P＝IU，就得到
I1U1＝I2U2 ③
式中I1、I2分别是原、副线圈中的电流．
如果知道并理解这些基本知识，就不难答对此题．首先，题干已说明本题中的变压器为理想变压器，即式②成立．由此就可判断选项A和D一定是错误的．再由题给的条件n1＞n2，代入式①得到U1＞U2，再代入式③就得出I1＜I2.因此就可判断选项B和C是正确的．
[答案] BC
eq \a\vs4\al() 变压器的应用
如图2－3－5所示，理想变压器的原、副线圈匝数之比为n1∶n2＝4∶1，原线圈回路中的电阻A与副线圈回路中的负载电阻B的阻值相等．在a、b端加一定交流电压后，两电阻消耗的电功率之比PA∶PB＝________．两电阻两端电压之比UA∶UB＝________．
图2－3－5
[思路点拨] 本题要区分公式＝中的U1和U2分别是加在原、副线圈两端的电压，并非电阻上的电压．在本题中A电阻上的电压不是U1，所以计算时不用＝.
[解析] 对理想变压器，有＝＝.
又UA＝I1R，UB＝I2R
所以＝＝＝
PA＝IR，PB＝IR
所以＝eq \f(I,I)＝()2＝.
[答案] 1∶16 1∶4
一理想变压器，其原线圈2200匝，副线圈440匝，并接一个100 Ω的负载电阻，如图2－3－6所示．
图2－3－6
(1)当原线圈接在44 V直流电源上时，电压表示数为________ V，电流表示数为________ A.
(2)当原线圈接在220 V交变电源上时，电压表示数为______ V，电流表示数为______ A．此时输入功率为______ W，变压器效率为________．
解析：(1)原线圈接在直流电源上时，由于原线圈中的电流恒定，所以穿过原、副线圈的磁通量不发生变化，副线圈两端不产生感应电动势，故电压表示数为零，电流表示数也为零．
(2)由＝得
U2＝U1＝220× V＝44 V(电压表读数)
I2＝＝ A＝0.44 A(电流表读数)
P入＝P出＝I2U2＝0.44×44 W＝19.36 W.
效率η＝100%.
答案：(1)0 0 (2)44 0.44 19.36 100%
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6电磁感应现象的应用
1．(单选)理想变压器在正常工作时，原、副线圈中不相同的物理量是( )
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，副线圈的输出功率
D．原、副线圈中的感应电动势
答案：D
2．(单选)下列关于变压器原理的说法，不正确的是( )
A．当原线圈接直流电源时，变压器铁芯中不能产生变化的磁通量，所以变压器不能改变直流电源的电压
B．由于穿过原、副线圈的磁通量相同，所以原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比
C．变压器可以改变交变电压、电流，但不能改变传输的功率
D．升压变压器的输出电压大于输入电压，所以输出功率大于输入功率
解析：选D.没有磁通量的变化，就不会产生电动势，副线圈上就没有电压，故A正确．由于原、副线圈中磁通量的变化率相同，所以产生的电动势与匝数成正比，故B对．对理想变压器，由能量守恒得：输入功率等于输出功率，故C对，D错．
3．(单选)如图2－3－7所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝4∶1，原线圈两端连接光滑导轨，副线圈与电阻R相连组成闭合回路，当直导线AB在匀强磁场中沿导轨匀速地向右做切割磁感线运动时，电流表A1的读数是12 mA，那么电流表A2的读数为( )
图2－3－7
A．0 B．3 mA
C．48 mA D．与R值大小有关
解析：选A.直导线AB匀速向右做切割磁感线运动时，产生稳定的电流，所以穿过副线圈的磁通量不发生变化，所以A2中无示数．
4．(双选)如图2－3－8所示，利用一理想变压器给一个电灯供电，在其他条件不变时，若增加副线圈的匝数，则( )
图2－3－8
A．灯亮度减小
B．电流表示数增大
C．电压表示数增大
D．变压器的输入功率不变
解析：选BC.若增加副线圈的匝数，次级电压升高，电压表的读数增大，电灯的亮度增加，输出电流增加，输入电流也随输出电流的增大而增大，所以A错，B、C对．变压器的输出功率增加，D错．
5．ABS系统是如何防止车轮被制动系统装置抱死的？
答案：ABS系统由轮速传感器，电子控制模块和电磁阀三部分组成．轮速传感器中铁质齿轮P与车轮同步转动．不断地接近和离开磁铁，使电流检测器D中产生一定频率的交变电流，传入电子控制模块中转换为与车轮转速有关的信息，并向电磁阀发出指令，电磁阀根据指令调节制动器产生合理的制动力．
[课时作业]
一、单项选择题
1．变压器原线圈为1 400匝，副线圈为700匝，并接有电阻R，当变压器工作时原、副线圈中( )
A．电流频率之比为2∶1 B．功率之比为2∶1
C．电流之比为2∶1 D．电压之比为2∶1
解析：选D.变压器在工作的时候，原、副线圈中的频率和功率都相等，A、B错．电压与匝数成正比，电流成反比，C错，D对．
2．一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列物理量不一定相等的是( )
A．交变电流的频率 B．电流的大小
C．电功率 D．磁通量的变化率
解析：选B.根据变压器的工作原理，交流电的频率、磁通量的变化率、电功率都相等，只有B符合题意．
3．对于理想变压器，下列说法中不正确的是( )
A．原线圈的输入功率，随着副线圈的输出功率增大而增大
B．原线圈的输入电流，随着副线圈的输出电流增大而增大
C．原线圈的电压，不随副线圈的输出电流变化而变化
D．当副线圈的电流为零时，原线圈的电压也为零
答案：D
4．如图2－3－9所示为一与交流电相连接的理想变压器，原线圈中电流为I1，副线圈中电流为I2，当副线圈中负载电阻R变小时( )
图2－3－9
A．I2变小，I1变小 B．I2变小，I1增大
C．I2增大，I1增大 D．I2增大，I1变小
解析：选C.由于其他条件不变，在副线圈中的电阻变小时，副线圈中的电流变大，由于初级的功率等于次级的功率，初级的电流也变大，所以C对．
5．一台理想变压器，它的初级线圈输入电压的最大值为200 V，次级线圈接一个阻值为R的电阻，消耗电功率为P，而该电阻直接接在电动势为20 V的内阻为零的直流电源上消耗电功率为2P，则变压器原副线圈匝数之比应为( )
A．20∶1 B．14∶1
C．10∶1 D．1∶10
解析：选C.根据题意当电阻消耗电功率为P时直流电压为U，则变压器次级线圈电压的最大值应为20 V，而初级的最大值是200 V，变压器原副线圈匝数比为10∶1，选项C正确．
6．如图2－3－10所示为一理想变压器和负载电阻R，下列哪些做法可减小变压器的输入功率( )
图2－3－10
A．只减少副线圈匝数 B．只减少原线圈匝数
C．只增加副线圈匝数 D．只减小R的阻值
答案：A
7．一理想变压器初次级线圈比＝3，次级接3盏相同灯泡如图2－3－11，恰好正常发光．在初级线圈中原先也串一盏相同灯泡L，那么( )
图2－3－11
A．灯L正常发光 B．灯L比另3盏灯暗
C．灯L将烧毁 D．条件不足，无法判断
答案：A
8．如图2－3－12所示为理想变压器．原线圈的匝数为1 000匝，两个副线圈n2＝50匝，n3＝100匝，L1是“6 V，2 W”的小灯泡，L2是“12 V，4 W”的小灯泡，当n1接上交流电压时，L1、L2都正常发光，那么原线圈中的电流为( )
图2－3－12
A. A B． A
C. A D． A
答案：C
二、双项选择题
9．下列关于理想变压器的说法，正确的是( )
A．输入功率等于输出功率
B．输送的电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能
C．输送的电能经变压器先转化为电场能，再转化为电能
D．输送的电能经变压器的铁芯直接传输出去
解析：选AB.从能量的转化来看，由于过程中有电磁感应现象出现，所以会存在“磁生电”的过程，这里的“磁”是指原线圈中产生的变化磁场，这样在副线圈中就产生了电磁感应现象，从而副线圈可以产生电能．所以A、B正确．
10．有一个正在工作的变压器，它的原线圈n1＝600匝，电压220 V，电路中装有0.2 A的保险丝，副线圈n2＝120匝，为保证保险丝不被烧断( )
A．负载功率不能超过44 W
B．副线圈电流最大值不能超过1 A
C．副线圈电流有效值不能超过1 A
D．副线圈电流有效值不能超过0.2 A
答案：AC
三、非选择题
11．为了安全，机床上照明电灯用的电压是36 V，这个电压是把220 V的电压降压后得到的．如果变压器的原线圈是1140匝，则副线圈是多少匝？用这台变压器给40 W的电灯供电，原、副线圈中的电流各是多大？
解析：由＝得，
n2＝n1＝＝187匝．
副线圈电流I2＝＝1.1 A
又∵U1I1＝U2I2，∴I1＝＝＝0.18 A.
答案：187匝 0.18 A 1.1 A
12．一理想变压器的原、副线圈匝数之比为2∶1，把它接在220 V的交流电源上．现有一个阻值为55 Ω的电阻器，允许通过的最大电流为3 A，能不能把它接在这个变压器的副线圈的两端？
解析：由＝得
U2＝＝ V＝110 V，I＝＝ A＝2 A＜3 A，
所以能把它接在副线圈的两端．
答案：能
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6(共24张PPT)
第二章 电磁感应与电磁场
第三节 电磁感应现象的应用
第二章 电磁感应与电磁场
交流电
升压
降压
原线圈
闭合铁芯
副线圈
电磁感应
U1/U2＝n1/n2
匝数比
I1/I2＝n2/n1
理想变压器 没有能量损失(铜损、铁损)
没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中)
基
本
关
系 功率关系 原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率P入＝P出
电压关系 原、副线圈的电压比等于________，公式：______________，与负载、副线圈的多少无关
电流关系 _______________
频率关系 f1＝f2(变压器不改变交流电的频率)
轮速传感器
电子控制模块
电磁阀
新知初探,自学导引
梳理知识·夯实基础
要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通
