高中物理第二章交变电流第六节变压器学案粤教版选修3_2

第六节 变压器
用．
一、变压器 1．概念及结构
变压器是改变交流电电压的设备．由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，其中跟电源连接的线圈，叫原线圈；跟负载连接的线圈，叫副线圈．
2．工作原理
变压器工作的基础是互感现象，原线圈中的交变电流在铁芯中产生交变的磁通量既穿过副线圈，也穿过原线圈，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．
预习交流1
变压器能改变恒定电流的电压吗？ 答案：不能． 二、理想变压器 1．概念
对于忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损耗的变压器，叫理想变压器． 2．电压、电流与线圈匝数的关系
原、副线圈两端的电压之比等于两个线圈的匝数之比，公式表示为U 1U 2＝n 1n 2
，当n 2＞n 1时，
U 2＞U 1，这种变压器叫升压变压器；当n 2＜n 1时，U 2＜U 1，这种变压器叫降压变压器．只有一
个副线圈时，原、副线圈中的电流跟它们的匝数成反比，关系式是I 1I 2＝n 2
n
1
．
预习交流2
一个变压器原线圈匝数为1 100匝，接在220 V 的交流电源上，若要得到6 V 的输出电压，则副线圈的匝数应为多少？
答案：30匝
根据U 1U 2＝n 1n 2得
n 2＝U 2U 1n 1＝6
220
×1 100匝＝30匝．
一、变压器的工作原理
1．把两个没有用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．接通电源，我们会看到小灯泡发光，结合实验现象思考以下
问题：
（1）变压器的原、副线圈没有连在一起，探究分析原线圈中的电流是如何“流到”副线圈中去的．
答案：变压器的原、副线圈虽然都套在同一个铁芯上，但两线圈是彼此绝缘的，原线圈是利用了互感现象在副线圈中感应出电流的，并不是原线圈的电流直接流到副线圈中去．（2）探究变压器中闭合铁芯的作用是什么．
答案：变压器的铁芯为闭合铁芯，形成一个闭合磁路，使原线圈中的磁通量变化与副线圈中的磁通量变化基本相同．
（3）变压器的闭合铁芯一般是用硅钢片压合而成的，试分析这样做有什么用意．
答案：变压器的闭合铁芯用硅钢片压合而成，这样有利于减小闭合铁芯中的涡流，从而减少了电能的损失．
2．原、副线圈间没有用导线连接，是靠线圈中的磁通量变化来传输功率的，请思考讨论能量在传输过程中是否会有损失．
答案：会有损失．一方面，磁感线不会完全集中在铁芯中，有漏磁情况，靠磁通量变化传输能量有损失；另一方面磁通量的变化会在铁芯中产生涡流损失；再一方面，在线圈和导线上也会有热量损失．
如图所示为汽油机中点火装置示意图，它使用的是12 V直流电源，在变压器的输出端却可得到高达10 000 V的高压，开关是自动控制的，如果我们在副线圈两端要得到一个高压，应该（）．
A．开关总处于接通状态
B．开关由接通时断开
C．开关由断开时接通
D．开关总处于断开状态
答案：BC
解析：欲使副线圈两端得到一个高压必须使变压器铁芯中的磁通量发生变化，即原线圈中的电流必须发生变化，只有当开关闭合、断开的瞬间原线圈中的电流才有变化．故选B、C．
1．变压器的变压原理是电磁感应．当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势．如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．
2．能量转换：变压器原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈，其能量转换方式为：原线圈电能→磁场能→副线圈电能．
3．变压器是依据电磁感应工作的，因此只能在交流电路中工作．
二、理想变压器的工作规律
1．理想变压器的“理想”是什么意思呢？
答案：（1）原、副线圈的绕线的电阻为零，电流通过时不因发热损失电能．
（2）原、副线圈的电流产生的磁场均约束在闭合铁芯内，没有因“漏磁”而损耗电能． （3）闭合铁芯中的涡流为零，没有因涡流造成的电能损失．
总之，理想变压器把原线圈的输入功率等大地通过副线圈又输送出来，即P 入＝P 出． 2．若副线圈有多个线圈，分析原、副线圈中U 1U 2＝n 1n 2
的关系是否还成立．
答案：成立．当副线圈有多个线圈时，原、副线圈中磁通量的变化率ΔΦ
Δt
始终相同，由
U 1＝n 1ΔΦΔt ，U 2＝n 2ΔΦΔt 可得U 1U 2＝n 1
n 2
．其实，绕在同一铁芯上的任意两个线圈两端的电压都与
匝数成正比．
3．若副线圈有多个线圈，分析原、副线圈中I 1I 2＝n 2n 1
是否还成立．
答案：不成立．当副线圈有多个线圈时U 1I 1＞U 2I 2，所以I 1I 2＞U 2U 1＝n 2n 1．因此I 1I 2≠n 2n 1
． 4．思考讨论升压变压器原、副线圈各有什么特点．
答案：由U 1U 2＝n 1n 2知，升压变压器的副线圈匝数比原线圈多，而I 1I 2＝n 2n 1
，原线圈电流较大，因此副线圈的导线细些，而原线圈的导线粗些．
如图所示，理想变压器三个线圈的匝数之比为n 1∶n 2∶n 3＝10∶5∶1，其中n 1作为原线圈接到220 V 的交流电源上，两个副线圈n 2和n 3分别与电阻R 2、R 3组成闭合电路．已知通过电阻R 3的电流I 3＝2 A ，电阻R 2＝110 Ω，求通过电阻R 2的电流和通过原线圈的电流．
答案：1 A 0.7 A
解析：闭合铁芯中磁通量的变化率处处相同，对绕在同一铁芯上的线圈来说，每一匝产生的电动势相同，所以有U 1∶U 2∶U 3＝n 1∶n 2∶n 3．
根据功率关系P 1＝P 2＋P 3则得U 1I 1＝U 2I 2＋U 3I 3，由此可见I 1/I 2并不等于n 1/n 2．
根据电压比的关系，得U 2＝n 2n 1
U 1＝110 V ， 通过R 2的电流I 2＝U 2/R 2＝1 A ，
根据功率关系有I 1U 1＝I 2U 2＋I 3U 3，且U 3＝n 3n 1U 1＝22 V ，则有I 1＝
I 2U 2＋I 3U 3
U 1
＝0.7 A ．
1．基本关系：
（1）功率关系：P 入＝P 出，只有一个副线圈P 1＝P 2，存在多个副线圈时，P 1＝P 2＋P 3＋… （2）电压关系：U 1∶U 2∶U 3∶…＝n 1∶n 2∶n 3∶… （3）电流关系：
由功率关系，当只有一组副线圈时，U 1I 1＝U 2I 2得I 2I 1＝U 1U 2＝n 2
n 1
当有几组副线圈时U 1I 1＝U 2I 2＋U 3I 3＋… 结合电压匝数关系知I 1n 1＝I 2n 2＋I 3n 3＋… 2．交变电流的频率不变．
3．输出功率决定输入功率，输出电流决定输入电流，输入电压决定输出电压．
1．在正常工作的理想变压器的原、副线圈中，数值上不一定相等的物理量为（ ）．
A ．交流电的频率
B ．电压的最大值
C ．电流的有效值
D ．电功率 答案：BC
解析：变压器不改变交流电的频率；理想变压器的输入功率等于输出功率；端电压的最大值与匝数有关，只有原、副线圈匝数比为1∶1时，电压最大值才相等；电流的有效值与电压及电路电阻有关．
2．关于变压器的说法，正确的是（ ）． A ．高压线圈匝数多、电流大、导线粗 B ．低压线圈匝数少、电流小、导线细 C ．高压线圈匝数多、电流大、导线细 D ．低压线圈匝数少、电流大、导线粗 答案：D
解析：高压线圈的匝数较低压线圈的匝数多，但两边的输入功率和输出功率相等，电压和匝数成正比，则高压线圈端的电压高、匝数多、电流较小．由电阻定律R ＝ρL
S
和欧姆定律I ＝U R
知，通过导线的电流小，则导线的横截面积应较小，导线细．高压线圈匝数多、电流小、导线细；低压线圈匝数少、电流大、导线粗，所以D 项正确．
3．理想变压器的原、副线圈匝数之比为1∶15，当原线圈接在6 V 的蓄电池两端以后，副线圈的输出电压为（ ）．
A ．90 V
B ．6 V
C ．0.4 V
D ．0 答案：D
解析：变压器不能改变恒定电流． 4．（2011·苏州高二检测）某变压器原、副线圈匝数比为55∶9，原线圈所接电源电压按图所示规律变化，副线圈接有负载．下列判断正确的是（ ）．
A ．输出电压的最大值为36 V
B ．原、副线圈中电流之比为55∶9
C ．变压器输入、输出功率之比为55∶9
D ．交流电源有效值为220 V ，频率为50 Hz 答案：D
解析：由图可见原线圈（即交流电源）电压的最大值、周期分别为220 2 V 和2×10
－
2
s ，易得电压的有效值及其频率为220 V 、50 Hz ，故知选项D 正确．由U 1U 2＝n 1n 2
可得输出电压
有效值，U 2＝U 1n 2n 1＝36 V ．由I 1I 2＝n 2n 1得I 1I 2＝
955．故知选项A 、B 均错．由P 入＝P 出得P 1
P 2
＝1．故
知C 选项也不正确，所以本题正确选项为D ．
5．如图所示的理想变压器，它的初级线圈接在交流电源上，次级线圈接一个标有“12 V 100 W”的灯泡，已知变压器初、次级线圈的匝数比为18∶1，那么小灯泡正常工作时，图中的电压表的读数为______V ，电流表的读数为________A ．
答案：216 0.46
解析：两电表的读数均为初级线圈的电压和电流的有效值．由公式U 1U 2＝n 1n 2得U 1＝n 1n 2
U 2＝18×12 V＝216 V
由公式I 1I 2＝n 2n 1得I 1＝n 2n 1I 2＝118×100
12
A ＝0.46 A ．。