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3.3科学探究：变压器
用电器
额定工作电压
用电器
额定工作电压
随身听
3V
机床上的照明灯
36V
扫描仪
12V
防身器
3000V
路由器
7V 9V 12V
黑白电视机显像管
1~2万伏
手机充电电压
4.2V 4.7V 5.3V
彩色电视机显像管
3~4万伏
生活中需要各种电压
改变电压，以适应各种不同电压的需要。变压器就是改变交流电压的设备。
我国民用统一供电均为 220 V，那么如何使这些额定电压不是 220 V 的电器设备正常工作的呢？
城乡变压器
各式变压器
可拆式变压器
变电站的大型变压器
1、变压器的工作原理
变压器是一种能升高或降低交变电流电压的装置。
闭合铁芯 ：绝缘硅钢片叠合而成
原线圈 ( 初级线圈 )：接电源
副线圈 ( 次级线圈 )：接用电器

U1
U2
n1
n2
铁芯
原线圈
副线圈
铁芯与线圈(绕组）互相绝缘
n1
n2
原线圈的匝数为n1，两端的电压称为输入电压U1。
副线圈的匝数为n2，两端的电压称为输出电压U2。
变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：
电能 → 磁场能 → 电能
(U1、I1) (变化的磁场) ( U2、I2)
电能在经过变压器过程中有哪些能量损失?
～
～
如果输入电压U1恒定，能否把电能经过变压器输送出去？
互感现象：由一个线圈电流的变化导致相邻的线圈的磁通量发生变化，而在该相邻的线圈中产生感应电动势的现象。
变压器工作原理
无磁损
无铜损
无铁损
理想变压器的特点：
理想变压器（理想化模型）——没有能量损失的变压器
实际上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。
2、探究变压器电压与线圈匝数的关系
实验目的：研究变压器电压与线圈匝数间的定量关系。
实验器材：可拆变压器、电压交流电源、交流电压表、导线。
实验原理：当交流电压接入原线圈时，它所产生的变化的磁场就会在副线圈中产生感应电动势；
实验步骤：
（1）按如图所示连接好电路图，并记录两个线圈的匝数；
（2）接通电源,用交流电压表测量原、副线圈两端的电压值U1、U2,并记录在表格中；
（3）保持匝数不变,多次改变输入电压,记录每次改变电压后原、副线圈两端的电压值；
（4）保持输入电压、原线圈的匝数不变,多次改变副线圈的匝数,记录每次的副线圈匝数和对应的电压值；
（5）相应数据填入表格；
实验结论：在误差允许的范围内,变压器原、副线圈两端电压之比等于原、副线圈的匝数之比,即????????????????=????????????????.
?
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，先用最大量程挡测试，大致确定被测电压后在选用适当的挡位进行测量。
3、理想变压器的电压与匝数的关系
n2 > n1 U2 > U1
── 升压变压器
n2 < n1 U2 < U1
── 降压变压器
I1
I2
n1
n2
U1
U2
大量实验研究表明，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。
根据法拉第电磁感应定律得：原、副线圈中产生的感应电动势分别是：
若不考虑原副线圈的内阻有
U1=E1
U2=E2
～
～
理想变压器原副线圈的两端电压之比等于这两个线圈的匝数之比
理论推导
理想变压器输入功率等于输出功率
即:
U1I1=U2I2
P入= P出
理想变压器原副线圈的电流跟它们的匝数成反比
I1
I2
n1
n2
U1
U2
此公式只适用于一个副线圈的变压器
匝数多，电流小，使用细导线
匝数少，电流大，使用粗导线
变压器能改变交变电流的电压、电流，不能改变 交变电流的功率、频率、磁通量变化率。
例、新型冠状病毒肺炎疫情防控期间，我国居民的平均上网时间大幅增加，因此手机耗电特别大。如图所示为某快充手机充电器，设充电器是一个理想变压器，已知它的原线圈匝数为220匝，副线圈为9匝，将该充电器接在220V的交流电源上给一部手机充电，测得充电器的输出电流为1A，则下列说法正确的是（ ）
A、该充电器输出电压为18V；
B、该充电器输入功率为18W；
C、该充电器输出功率为9W；
D、该充电器原线圈的电流约为2.4A；
C
有多个副线圈的理想变压器
一个原线圈多个副线圈的理想变压器，原线圈匝数为 n1，两个副线圈的匝数分别为 n2 和 n3，相应的电压分别为 U1、U2 和 U3，相应的电流分别为 I1、I2 和 I3，根据变压器的工作原理可得：
I2
n2
U2
I1
n1
U1
I3
n3
U3
由P出 = P入得
变压器工作时的制约关系
1．电压制约
当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定时，输出电压U2由输入电压U1决定，即U2＝n2U1/n1.
2．电流制约
当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)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＝n2I2/n1.
3．负载制约
(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)变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定，I2＝P2/U2；
(3)理想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，因而输出功率决定输入功率，P1＝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.
特别提醒：理想变压器的副线圈可看做给用户供电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时，可以参照直流电路动态分析的方法．
例、在如图所示的电路中，P 为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压 U1 不 变，闭合开关 S，下列说法正确的是（ ）
A. P 向下滑动时，灯泡 L 变亮；
B. P 向下滑动时，变压器的输出电压 U2 不变；
C. P 向上滑动时，变压器的输入功率变小；
D. P 向上滑动时，变压器的输入功率变大；
BD
U2
U1
A
B
P
U1
U2
n1
n2
调压变压器
降压变压器
自耦变压器：原副线圈共用一个线圈
n1
n2
U1
U2
升压变压器
例、调压变压器是一种自耦变压器，它的构造如图所示。线圈 AB 绕在一个圆环形的铁芯上，AB 间加上正弦交流电压 u，移动滑 动触头 P，就可调节输出电压。在输出端连接了滑动变阻器 R 和理想交流电流表，变阻器的滑动触头为 Q。
（1）保持 P 的位置不动，将 Q 向下移动时，电流表的读数如何变化？为什么？
（2）保持 Q 的位置不动，将 P 沿逆时针方向移动时，电流表的读数如何变化？为什么？；
例、如图所示，一理想变压器原线圈与定制电阻R1、理想电流表A1一起接入电压有效值U不变的交流电源中，原线圈接入电路的匝数可通过调节滑动触头P进行改变，副线圈和变阻器R、定值电阻R2以及理想电流表A2连接在一起，下列说法正确的是（ ）
A、保持R不变，将P向上移动，则A1的示数变小，A2的示数变小；
B、保持R不变，将P向下移动，电源输出的总功率变小；
C、保持P的位置不动，增大R，则A1的示数减小，A2的示数减小；
D、保持P的位置不动，增大R，则R的电功率变小，R1的电功率不变；
D
例、如图所示，理想变压器的输入端通过灯泡L1与输出电压稳定的正弦式交变电源相连，副线圈通过导线与两个相同的灯泡L2和L3相连，开始时开关S处于断开状态。当S闭合后，所有灯泡都能发光，下列说法正确的是（ ）
A、灯泡L1变亮；
B、灯泡L2变亮；
C、原线圈两端电压不变；
D、副线圈两端电压变大；
A
电压互感器
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．
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
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．
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．
例、如图所示，L1和L2是高压输电线，甲、乙是两只互感器，若已知n1∶n2＝1 000∶1，n3∶n4＝1∶100，图中电压表示数为220 V，电流表示数为10 A，则高压输电线的送电功率为(　　)
A．2.2×103 W
B．2.2×10－2 W
C．2.2×108 W
D．2.2×104 W
C
例、一个“日”字形的理想变压器，如图所示。其铁芯左右完全对称，原线圈绕在中间的铁芯上，两个副线圈分别绕在左右两侧铁芯上。已知三个线圈的匝数分别为n1、n2、n3，当原线圈接正弦式交流电压U1时，则下列说法正确的是（　　）
A、两个副线圈输出电压的频率是电压U1频率的一半
B、匝数为n2的线圈输出电压U1：U2＝n1：n2
C、匝数为n2、n3的两线圈输出电压之比为n2：n3
D、匝数为n2、n3的两线圈分别接相同标准电阻时，
消耗的功率之比为n2：n3
C
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