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第三章 交变电流
人教物理选择性必修第二册
第三章 交变电流
3.3
变压器
一 变压器的原理
变压器 (transformer)是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的 (图3.3-1)。一个线圈与交流电源连接叫作原线圈 (primary coil)，也叫初级线圈；另一个线圈与负载连接，叫作副线圈 (secondary coil)，也叫次级线圈。
互感现象是变压器工作的基础。电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，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，所以尽管两个线圈之间没有导线相连，副线也能够输出电流。
思考：我们发现变压器原副线圈不相通，那么给原线圈接直流电源，副线圈接一个小灯泡，通电后，小灯泡会发光吗，为什么？如果将原线圈改接为交流电源，小灯泡会发光吗？
变压器的工作原理
原线圈
接
交流电
原线圈中的磁场发生改变
在铁芯中
产生变化
的磁通量
副线圈
产生感应
电动势
副线圈中的磁通量随之发生改变
副线圈
有
感应电流
U2
U1
×
～
能量转化
在输人的交流电压一定时，原线圈、副线圈取不同的匝数，副线圈输出的电压也不一样，变压器由此得名。变压器原、副线圈两端的电压与线圈匝数之间有什么关系呢
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
▋▏实验思路
根据电磁感应定律，通过分析，你认为线圈两端的电压与线圈的匝数可能有什么关系 请你设计一个方案来验证你的猜想。
实验中要注意控制变量，例如，原线圈输入的电压是一定的，那么副线圈上的电压与线圈匝数之间存在什么样的关系呢
可以利用教学用的可拆变压器进行探究。可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈(图3.3-2)。
保持原线圈输入的电压一定，改变原、副线圈的匝数，测量副线圈上的电压，试着找出它们之间的关系。
▋▏物理量的测量
这个实验主要测量和记录的物理量有哪些 怎样设计记录数据的表格
1.先写出操作步骤，画出电路图。建议先保持原线圈的匝数不变，改变副线圈的匝数，研究其对副线圈电压的影响。然后再保持副线圈的匝数不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。电路图上要标出两个线圈的匝数、原线圈欲加电压的数值。要事先推测副线圈两端电压的可能数值。操作前要画好记录数据的表格。
2.连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查，并经过确认。只有这时才能接通电源。
3.为了保证人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12V；即使这样通电时也不要用手接触裸露的导线、接线柱。
4.为了保证多用电表的安全，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。
▋▏数据分析
1. 用表格的形式把原、副线圈的匝数与电压进行比较，寻找它们之间的关系。
2. 得出探究的结果后，要力求用准确而精练的语言把它表述出来。如果可能，最好用数学关系式来表述。
从上面实验中我们发现，如果变压器原、副线圈的匝数之比不同，原、副线圈上的电压之比也不一样。那么原、副线圈上的电压之比是否等于它们的匝数之比呢 数据没有严格遵从这样的规律。为什么呢
其实，变压器线圈通过电流时会发热；铁芯在交变磁场的作用下也会发热；此外，交变电流产生的磁场也不可能完全局限在铁芯内。所有这些，使得变压器工作时有能量损耗。但有些变压器的能量损耗很小，可以忽略。我们把没有能量损耗的变压器叫作理想变压器。理想变压器也是一个理想化模型。
理想变压器
1.无铁损 (铁芯不发热)
2.无铜损 (原副线圈无电阻)
3.无磁损 (无磁通量漏失)
二 电压与匝数的关系
你能推导出理想变压器原、副线圈中电流大小与它们的线圈匝数之间的关系吗
实验和理论分析都表明，理想变压器原、副线圈的电压之比，等于原、副线圈的匝数之比，即
＝
变压器的输出功率与输入功率之比，叫作变压器的效率。
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超过95%。所以，在精度要求不太高的情况下可应用上式来计算。
如果副线圈的电压比原线圈的电压低，这样的变压器叫作降压变压器，反之则叫升压变压器。实际应用中需要改变交流电压的情况是很多的。大型发电机发出的交流电压为几万伏，而远距离输电却需要几十万伏以上的电压。各种用电设备所需的电压也不相同。电灯、电饭锅、洗衣机等家用电器需要220V的电压，机床上的照明灯需要36V或24V的安全电压。手机的锂电池电压一般为3.7V，而老式电视机显像管却需要10kV以上的高电压，由于有了变压器(图3.3-3)，交流的电压容易改变，所以交流得到了广泛的应用。
我们知道导线可以输送电能，变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接却将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路。在变压器中能量是如何转化的
在变压器中能量的转化方式为：原线圈的电能→磁场能→副线圈的电能.
变压器能输送电能是利用了电磁感应。在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场，即电场的能量转变成磁场的能量；通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，于是在副线圈上产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量。
无线充电技术
我们知道，变压器能通过电磁感应输送电能。当原线圈中由变化的电流激发了一个变化的磁场，电场的能量就转变成磁场的能量;当这个变化的磁场在副线圈上产生感应电流，磁场的能量就转化成了电场的能量，这样电能就从原线圈不必经过导线直接连接就转移到了副线圈。
无线充电是近年发展起来的新技术，其中一种就是基于这样的道理而产生的，只不过变压器磁场的回路是铁芯，而无线充电装置磁场的回路是空气。
无线充电技术通过分别安装在充电基座和接收能量的装置上的线圈，利用产生的磁场传递能量。如果移动电话中有无线充电装置，那么把移动电话直接放在充电基座上就可以充电 (图3.3-4)。
对于一个没有无线充电功能的移动电话，也可以通过在移动电话端连接一个无线充电接收器，将接收器放在无线充电基座上来进行充电。打开无线充电接收器，就可以看到其内部有一个接收线圈 (图3.3-5)。
目前已经有移动电话、数字照相机、电动牙刷等电子产品采用无线充电技术。随着新能源汽车的快速发展，无线充电技术在电动汽车中也将会有广泛的应用。
相比有线输电技术，无线充电器与用电装置之间不用电线连接，因而具有使用方便、减少触电危险、不易老化磨损等优点。但目前无线充电技术也存在着传输距离短、成本高、能量损耗大等不足。因此，无线充电技术还需不断地改进、发展。
1. 变压器为什么不能改变恒定电流的电压
解：变压器工作的基础是互感现象，恒定电流产生的磁场是不变的，在副线圈中不会产生感应电动势，因此变压器不能改变恒定电流的电压.
2. 有些机床(图3.3-6)为了安全，照明电灯用的电压是 36V，这个电压是把 380V 的电压降压后得到的。如果变压器的原线圈是 1440匝，副线圈是多少匝 在某次实际工作时输入电压只有 220V，则输出电压是多少
解：根据题目条件可知 U1＝380 V，U2＝36 V，n1＝1440，因为 ＝，所以 n2＝n1＝ ＝136；
U′2 ＝U2 ＝×36V＝20.8V.
3.当变压器的一个线圈的匝数已知时，可以用下面的方法测量其他线圈的匝数：把被测线圈作为原线圈，用匝数已知的线圈作为副线圈，通入交变电流，测出两线圈的电压，就可以求出被测线圈的匝数。已知副线圈有400匝，把原线圈接到 220V 的交流电路中，测得副线圈的电压是 55 V，求原线圈的匝数。
解：已知 n2＝400，U1＝220 V，U2＝55 V，
因为 ＝，所以 n1＝n2＝ ＝1600.
4. 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
解：降压变压器的副线圈应当用较粗的导线. 理想变压器的输入功率等于输出功率，即 I1U1＝I2U2，降压变压器的电压 U2＜U1，因而它的电流 I2＞I1，即副线圈中的电流大于原线圈中的电流，所以相比之下，副线圈应使用较粗的导线.
5.图3.3-7是街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压，负载变化时输入电压不会有大的波动输出电压通过输电线输送给用户，两条输电线的总电阻用 R0 表示，变阻器 R 代表用户用电器的总电阻，当用电器增加时，相当于 R 的值减小 (滑动片向下移)。如果变压器上的能量损耗可以忽略，当用户的用电器增加时，图中各表的读数如何变化
解：由题意知，理想变压器输入的电压 U1 不会有太大波动，则 V1 示数不变；副线圈电压 U2＝U1 不变，则 V2 示数不变；
当用户的用电器增加时，相当于 R 减小，则 A2 示数增大；
因为理想变压器输入功率等于输出功率，有 P1＝I1U1＝P2＝I2U2，U1、U2 的值不变，I2 增大，则 I1 增大，A1 示数增大；
I2 增大，则 R0 上的电压增大，R上的电压减小，即 V3 示数减小.
结束
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