5.4变压器

第五章交变电流东海县白塔高级中学高二物理组5.4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手机充电器4.2V4.4V5.3V黑白电视机显像管1~2万伏录音机6V9V12V彩色电视机显像管3~4万伏在我们使用的各种用电器中，所需的电源电压各不相同，而日常照明电路的电压是220V，那么如何解决这一问题呢？生活中需要各种电压需改变电压，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街头变压器各式变压器变电站的大型变压器形形色色的变压器充电器2.示意图一、变压器的构造3.电路图中符号铁芯与线圈互相绝缘n1n21.构造：（1）铁芯（2）原线圈(初级线圈)（3）副线圈(次级线圈)思考与讨论把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连到交流电源的两端，另一个线圈连到小灯泡上。小灯泡可能发光吗？说出你的道理。演示实验问题：小灯泡未与电源直接相连，为什么发光了呢？你认为变压器的工作原理是什么？变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：电能→磁场能→电能转化(U1、I1)(变化的磁场)(U2、I2)二、变压器的工作原理思考：若给原线圈接直流电压U1,副线圈电压U2为多少？0～～——互感现象p41理想变压器——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95%以上，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。理想变压器也是一个理想化模型无磁损无铜损无铁损理想变压器的特点：思考：原、副线圈电压与什么因素有关系？三、理想变压器的变压规律实验：探究变压器线圈两端电压与匝数的关系猜想：交流电压、原线圈匝数、副线圈匝数方法：控制变量法实验结论误差允许范围内2121nnUU～～I1I2n1n2U1U2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：E1=n1/tE2=n2/t若不考虑原副线圈的内阻有U1=E1U2=E22121nnUU2121nnEE理论推导2121nnUU1、n2n1U2U1——升压变压器2、n2n1U2U1——降压变压器实验和理论分析都表明：理想变压器原、副线圈的电压跟它们的匝数成正比。注：1、此公式无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的。2、如果有两个副线圈，则有312111122123223333nnn===UUUUUUUUUnnntnnn所以，，1、一台理想变压器原线圈的匝数为4400匝,与220V的电源相连,当副线圈接入额定电压为36V的灯泡时,能够正常发光.则变压器副线圈的匝数为()A、36匝B、72匝C、720匝D、1440匝C课堂练习理想变压器输入功率等于输出功率即:U1I1=U2I2P入=P出121221nnUUII四、理想变压器的变流规律理想变压器原、副线圈的电流跟它们的匝数成反比此公式只适用于一个副线圈的变压器如果有多个副线圈，那么电流与匝数的关系是什么呢？若变压器有多个副线圈，根据P1=P2＋P3＋……即U1I1=U2I2＋U3I3＋……及312123UUUnnn可得：n1I1=n2I2=n3I3＋……2、一理想变压器，原线圈匝数n1=1100，接在电压220V的交流电源上，当它对11只并联的“36V,60w”的灯泡供电时,灯泡正常发光.由此可知副线圈的匝数n2=_____，通过原线圈的电流I1=______。1803A课堂练习课堂练习3、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？副线圈匝数少，电压低电流大，应该使用较粗的导线1、理想变压器原、副线圈的匝数比n1:n2=4:1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,图中电流表A1的示数12mA,则电流表A2的示数为()A．3mAB．0C．48mAD．与负载R的值有关B巩固练习变形：ab中如果要获得电流,棒要如何运动？ab2、汽油机做功冲程开始时，汽缸中的汽油—空气混合物要靠火花塞点燃．但是汽车蓄电池的电压只有12V，不能在火花塞中产生火花，所以要使用图示的点火装置．这个装置的核心是一个变压器，它的初级线圈通过开关连到蓄电池上，次级线圈接到火花塞的两端．开关由机械进行自动控制．做功冲程开始时，开关由闭合变为断开，次级线圈中感应出很高的电压，可达10000V以上，这样就能在火花塞中产生火花了．蓄电池提供的是直流，为什么在这里也能用变压器得到高电压？功率关系理想变压器不计铜损、铁损及漏磁，所以输入功率等于输出功率．当副线圈为断路时，原线圈输入功率为零．对有多个副线圈输出时，输入功率等于副线圈上输出功率之和．频率关系变压器不能改变交变电流的频率．在原线圈中接上周期性变化的电流在副线圈中激发出同频率的交流电．补充说明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”，即用多少给多少，而不是给多少用多少，因而输出功率决定输入功率，P入＝P出；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．1．对理想变压器，下列说法中正确的是()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，随副线圈的输出电流增大而增大C．原线圈的电流，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AB即时应用课堂互动讲练对变压器原理的理解例1如图5－4－3所示的理想变压器，原副线圈的匝数比n1∶n2＝1∶2，U1＝2202sinωtV，n1＝1100匝，以下说法中正确的是()图5－4－3A．穿过原、副线圈磁通量的变化率之比为1∶2B．穿过原、副线圈磁通量的变化率的最大值相等，均为0.22VC．原、副线圈每一匝产生的电动势有效值相等，均为0.2VD．原、副线圈电动势的瞬时值之比为1∶2BC变式训练1(2011年高考浙江理综卷)如图5－4－4所示，在铁芯上、下分别绕有匝数n1＝800和n2＝200的两个线圈，上线圈两端与u＝51sin314tV的交流电源相连，将下线圈两端接交流电压表，则交流电压表的读数可能是()A．2.0VB．9.0VC．12.7VD．144.0V图5－4－4A如图5－4－5所示，一台有两个副线圈的变压器，原线圈匝数n1＝1100匝．接入电压U1＝220V的电路中．(1)要求在两个副线圈上分别得到电压U2＝6V，U3＝110V，它们的匝数n2，n3分别为多少？(2)若在两副线圈上分别接上“6V20W”“110V60W”的两个用电器，原线圈的输入电流为多少？变压器基本规律的应用例2图5－4－5【思路点拨】解题时应特别把握以下两点：(1)原、副线圈的电压与匝数的关系．(2)根据原、副线圈的功率关系确定电流关系．【自主解答】(1)根据原、副线圈间电压与匝数的关系，由U1U2＝n1n2得n2＝U2U1n1＝6220×1100＝30(匝)，n3＝U3U1n1＝110220×1100＝550(匝)．(2)设原线圈输入电流为I1，由P入＝P出得：I1U1＝I2U2＋I3U3＝P2＋P3，I1＝P2＋P3U1＝20＋60220A≈0.36A.【答案】(1)30匝550匝(2)0.36A变式训练2一理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2＝1∶2，电源电压u＝2202sinωtV，原线圈电路中接入一熔断电流I0＝1A的保险丝，副线圈中接入一可变电阻R，如图5－4－6所示，为了使保险丝不致熔断，调节R时，其阻值最低不能小于()图5－4－6A．440ΩB．4402ΩC．880ΩD．8802ΩC解析：选C.当原线圈电流为I1＝I0＝1A时，副线圈中电流I2＝n1n2I1＝12A.原线圈两端电压为U1＝Um2＝220V.则副线圈两端电压为U2＝n2n1U1＝21×220＝440V.因此负载电阻的最小值为：Rmin＝U2I2＝880Ω.故C正确．变压器的动态分析例3(2010年高考天津卷)为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的灯泡L1、L2，电路中分别接了理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2，导线电阻不计，当开关S闭合后()A．A1示数变大，A1与A2示数的比值不变B．A1示数变大，A1与A2示数的比值变大C．V2示数变小，V1与V2示数的比值变大D．V2示数不变，V1与V2示数的比值不变AD【规律总结】处理这类问题的关键是要分清变量与不变量，弄清理想变压器中各量间的联系和制约关系，在理想变压器中，U2由U1和匝数比决定；I2由U2和负载电阻决定．I1由I2和匝数比决定．变式训练3:如图所示有一理想变压器，原线圈接在电压一定的正弦交流电源上，副线圈电路中接入电阻R1和光敏电阻R2,各交流电表的内阻对电路的影响不计，当有光照射电阻R2时，各电表的示数变化情况是()A．电流表A1示数变大B．电流表A2示数变小C．电压表V1示数变小D．电压表V1示数变大图5－4－8解析：选A.由U2U1＝n2n1可知，n1、n2、U1不变，U2不变，光敏电阻的阻值变小，I2＝U2R可得I2增大，I1增大，故选A.A学以致用，知识延伸思考：交流电压表有一定的量度范围，它的绝缘能力也有限，不能直接测量过高的电压。如何测量高压线上的交流电压？电压互感器V使用时把原线圈与电路并联，副线圈匝数比原线圈匝数少，导线粗。副线圈上安装保险丝，以防短路烧毁副线圈。A使用时把原线圈与电路串联，副线圈匝数比原线圈匝数多，导线细。副线圈不允许安装保险丝，因为如果副线圈断开，会产生很大自感电动势对人和仪表极不安全，所以电流互感器副线圈不允许断路，当然不允许安装保险丝。电流互感器钳形电流计•原线圈只有一匝的升压变压器。•优点：在测量电流时，不需要切断导线。•只能测量交变电流。自耦变压器