1、4 变压器 1.变压器 知道变压器的构造及几种常见的变压器,理解变压器的工作原理,了解变压器在生活中的应用。2.理想变压器的基本规律 通过实验,探究理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系,电流与匝数的关系。了解理想化模型在物理学研究中的重要性。能够运用理想变压器的基本规律分析、解决相关问题。1 2 1.变压器的原理(1)变压器的构造 1 2(2)变压器的示意图及符号 1 2(3)变压器的工作原理 互感现象是变压器工作的基础。原线圈中电流的大小、方向不断变化,在铁芯中激发的磁场也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。(4)变压器的作用 能改变交变电流的电压,不能改变交变电流的周期和频率。
2、(均选填“能”或“不能”)如果变压器的原线圈接入恒定电流,变压器能起到变压作用吗?接入大小变化的直流电流呢?提示:不能 能 1 2 2.理想变压器的概念与规律(1)概念:没有能量损失的变压器叫理想变压器,它也是一种理想化的模型。(2)基本关系(只有一个副线圈时)电压关系:12=12。电流关系:12=21。功率关系:P1=P2(即 U1I1=U2I2)。1 2 如果我们想绕制一个升压变压器,应该怎么做呢?这种情况下,哪一个线圈应该用粗一点的导线绕制呢?提示:根据理想变压器的电压关系,只需要副线圈的匝数比原线圈的匝数多即可。由于匝数少的线圈通过的电流大,所以原线圈应该用较粗的导线绕制。1 2 3
3、1.理想变压器的基本关系推导(1)功率关系 理想变压器为一理想化的模型,其特点是 不计铜损,即变压器的原、副线圈的内阻很小,可以忽略,在有电流通过时认为不产生焦耳热;不计铁损,即变压器铁芯内不产生涡流,无热损耗;不计漏磁,即原、副线圈的磁通量总保持相同。可见理想变压器不计一切电磁能量损失,所以理想变压器的输入功率等于输出功率,即P入=P出。1 2 3(2)电动势关系 由于互感现象中没有漏磁,原、副线圈中具有相同的磁通量的变化率 ,如图所示,根据法拉第电磁感应定律,原线圈中1=1 ,副线圈中2=2 ,所以有 12=12。1 2 3(3)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
4、=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以。12=12或11=22温馨提示 a.对于公式 12=12,无论副线圈一端是空载还是有负载,都是适用的。b.若变压器有两个副线圈,则有 11=22=33=,所以有 12=12,13=13 或 23=23。1 2 3(4)电流关系由于不计各种电磁能量的损失,输入功率等于输出功率,即P1=P2。因为 P1=U1I1,P2=U2I2,则 U1I1=U2I2,所以 12=21,由 12=12得 12=21。1 2 3 温馨提示 a.由 12=21 知,对于只有一个副线圈的变压器:电流与匝数成反比。因此,变压器高压线圈匝数多而通过的电流小,可用较细的导线绕制,低压
5、线圈匝数少而通过的电流大,应用较粗的导线绕制。b.变压器的电压关系对有一个或几个副线圈的变压器都成立,而电流关系只适用于有一个副线圈的变压器。若为多个副线圈,电流关系要从功率关系(输入功率总等于输出功率)得出,即U1I1=U2I2+U3I3+,根据 11=22=33=,则电流与匝数关系为n1I1=n2I2+n3I3+1 2 3 2.理想变压器几个物理量的决定关系 理想变压器的结构(原、副线圈匝数和铁芯等)确定时,输入功率与输出功率、输入电压与输出电压、输入电流与输出电流、输入电流的频率与输出电流的频率,这些量之间有什么关系?(1)输出功率决定输入功率。理想变压器本身无电能损失,所以有P入=P出
6、。但应注意的是,输入功率由输出功率决定,即输出功率增大,输入功率也随之增大;输出功率减小,输入功率也随之减小。通俗地说,就是用多少给多少,而不是给多少用多少。1 2 3(2)输入电压决定输出电压。设理想变压器的原线圈匝数为n1,副线圈匝数为n2,输入电压为U1,输出电压为U2,则有由于理想变压器的结构确定时,n1、n2均为定值,所以输出电压U2由输入电压U1决定,与负载电阻的大小无关。U1增大,U2也增大;U1减小,U2也减小。12=12,故2=121。1 2 3(3)输出电流决定输入电流。如果理想变压器只有一个副线圈有输出,并设原线圈的匝数为n1,输入电压为U1,输入电流为I1;副线圈的匝数
7、为n2,输出电压为U2,输出电流为I2。则据 P 入=P 出和 12=12 有11=22,12=21=21 得1=221,即当线圈的结构确定时,1、2 一定,输出电流2决定输入电流 I1。输出电流增大,输入电流也随着增大;输出电流减小,输入电流也随着减小。当变压器有多个副线圈且同时都有输出时,同样有输出电流决定输入电流的关系。1 2 3 例如:在如图所示的电路中,用一变压器给负载供电,变压器输入端的电压不变,开始时开关S是断开的,现将开关S闭合,则图中所有交流电表的示数如何变化?1 2 3 因输入电压不变,所以电压表 V1 的示数不变,电压表 V2 的示数由输入电压 U1(大小等于电压表 V1
8、 示数)和匝数比 12 决定,即2=211,所以2也不变,即电压表 V2的示数也不变。又根据2=2负知开关 S闭合后负减小,故2增大,即电流表 A2示数增大。输入电流1随输出电流2的增大而增大,即电流表 A1的示数也增大。1 2 3(4)输入电流的频率决定输出电流的频率。理想变压器工作时,穿过原、副线圈的磁通量的变化频率(周期)相同,等于原线圈中所加交变电流的频率(周期)。因而在副线圈中感应出的交流电动势、电压和电流的频率(周期)也都等于原线圈输入的交变电流的频率(周期),即输入交变电流的频率(周期)决定输出交变电流的频率(周期)。1 2 3 3.电压互感器与电流互感器(1)原副线圈匝数、“粗
9、细”特点:电压互感器把高电压变成低电压,所以副线圈比原线圈匝数少,导线粗。电流互感器把强电流变成弱电流,所以副线圈比原线圈匝数多,导线细。(2)接入特点:电压互感器并联在高压电路中,低压一侧安装保险丝,以防短路,因短路时副线圈阻抗大大减小,会出现很大的短路电流,使副线圈严重发热而烧毁。电流互感器串联在电路中,副线圈端不允许安装保险丝,这是因为若副线圈断开,铁芯中磁通量会急剧增加(因原线圈中电流很大,正常时I1产生的磁通量大部分被I2的磁通量抵消),这将在副线圈一端感应出高压,给人和仪表带来危险,所以电流互感器副线圈端不允许断路,当然不允许安装保险丝。类型一 类型二 类型三 类型一对理想变压器基
10、本关系的考查【例题1】如图所示,理想变压器的原、副线圈的匝数比为n1n2=21,A、B为完全相同的灯泡,电源电压为U,不考虑灯泡电阻随外界因素的变化,则B灯两端电压为()A.12 B.2 C.15 D.25 点拨:流过 A、B 两灯的电流即为原、副线圈中的电流,由题知12=21=12,以此为突破口计算B 灯两端电压。类型一 类型二 类型三 解析:由题意,B 灯两端电压即为副线圈两端电压 U2,则原线圈两端电压 U1 可由 12=12 求出,即 U1=12U2=2U2,又因 12=21=12,所以A 灯两端电压可由 A2=12求出,即 UA=22,在原线圈所在回路中有U=UA+U1,即 U=22
11、+22,解得U2=25。答案:D 题后反思本题容易犯的错误是把电源电压U当成了原线圈两端电压,实际上电源电压U是A灯两端电压与原线圈两端电压之和。类型一 类型二 类型三 触类旁通若将例题1中的A灯去掉,其他条件不变,这种情况下B灯两端的电压又为多少?解析:去掉 A 灯,由题意,U1=U,U2=UB,由 12=12 得U2=21U1=12即这种情况下 B 灯两端的电压为 12。答案:12 类型一 类型二 类型三 类型二理想变压器的动态分析问题【例题2】(多选)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S闭合时,以下说法中正确
12、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 类型一 类型二 类型三 点拨:U1U2I2I1P1。解析:由于输入电压不变,所以当 S 闭合时,理想变压器副线圈M、N 两端输出电压不变。S 闭合后,并联灯泡 L2,总电阻变小,由欧姆定律 I2=22 知,流过 R 的电流增大,电阻上的电压 UR=I2R 增大。副线圈输出电流增大,根据 12=21,2增大,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:BCD 题后反思明确理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率的决定关系是解决这类问题的关键。类型一 类型二 类型三 类型三对两类互感器的考查【例题3】(多选)下图的甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图,下列说法中正确的是()A.线圈匝数n1n2,n3n2,n3n2,甲图中的电表为电压表;题图乙中原线圈串联在电路中,为电流互感器,是升压变压器,n3n4,乙图中电表为电流表,故选项B、C、D正确。答案:BCD 题后反思结合两类互感器的工作原理,明确这两类互感器原、副线圈匝数多少,所用导线粗细以及原线圈在电路中的连接方式是解题的关键。
