高中物理第五章交变电流第4节变压器教学案新人教选修3-2

第4节 变压器

1.互感现象是变压器的工作基础，变压器工作时有能量损失，变压器的输出功率与输入功率之比叫做变压器的效率。理想变压器的效率为100%。

2．理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系为U 1U 2＝n 1n 2

。

3．如果理想变压器的副线圈只有一个，则P 1＝P 2，即U 1I 1

＝U 2I 2，得出原、副线圈电流与匝数的关系为I 1I 2＝n 2

n 1

。

4．所有变压器不改变交变电流的频率，理想变压器不改变功率。

一、变压器的原理 1．变压器的构造

由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，如图5­4­1所示。

图5­4­1

(1)原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈。 (2)副线圈：与负载连接的线圈，也叫次级线圈。 2．变压器的工作原理

变压器工作的基础是互感现象，电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁场不仅穿过原线圈，也同时穿过副线圈，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。

3．作用

改变交变电流的电压。 二、电压与匝数的关系 1．理想变压器

没有能量损失的变压器，也是一个理想化模型。 2．电压与匝数的关系

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，即：U 1U 2＝n 1

n 2

。 3．两类变压器

副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。

三、两种互感器 1．电压互感器

把高电压变成低电压。它的原线圈并联在高压电路上，副线圈接入交流电压表，如图5­4­2甲所示。

2．电流互感器

把大电流变成小电流。原线圈串联在被测电路中，副线圈接入交流电流表，如图乙所示。

图5­4­2

1．自主思考——判一判

(1)变压器只能改变交变电流的电压，不能改变直流电的电压。(√) (2)实际生活中，不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。(√)

(3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的功率和频率。(×)

(4)理想变压器是客观存在的。(×) (5)U 1U 2＝n 1n 2

适用于任何理想变压器。(√) 2．合作探究——议一议

(1)如果把变压器接入直流电路，变压器能起到变压作用吗？

提示：变压器是依据电磁感应工作的，因此只能工作在交流电路中，如果变压器接入直流电路，原线圈中的电流不变，在铁芯中不会引起磁通量的变化，就没有互感现象出现，变压器就起不到变压作用。

(2)变压器的两个线圈所用导线的粗细一样吗？

提示：不一样。高压线圈匝数多而通过的电流小，用较细的导线绕制而成；低压线圈匝数少而通过的电流大，用较粗的导线绕制而成。

(3)变压器的铁芯为什么用薄硅钢片叠压而成？

提示：为了减少损耗，变压器的铁芯常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。这样，涡流被限制在狭窄的薄片之中，回路的电阻很大，涡流大为减弱，从而减小了铁损。

变压器的工作原理及规律

1．工作原理

2．基本规律

(1)一原一副，P 入＝P 出，U 1U 2＝n 1n 2，I 1I 2＝n 2n 1

(2)一原多副，P 入＝P 出，U 1U 2＝n 1n 2，U 1U 3＝n 1n 3，U 2U 3＝n 2n 3

U 1I 1＝U 2I 2＋U 3I 3＋… n 1I 1＝n 2I 2＋n 3I 3＋…

[典例] 如图5­4­3所示，理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1，两个标有“12 V,6 W”的小灯泡并联在副线圈的两端。当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想的)的示数分别是( )

图5­4­3

A ．120 V,0.10 A

B ．240 V,0.025 A

C ．120 V,0.05 A

D ．240 V,0.05 A

[思路点拨] 解答本题时可按以下思路分析：

[解析] 由于灯泡正常发光，所以U 2＝12 V ， 根据 U 1U 2＝n 1n 2

解得U 1＝240 V ； 两个灯泡均正常发光，I 2＝2P U 2

＝1 A ， 根据I 1I 2＝n 2n 1

解得I 1＝0.05 A ，故D 正确。 [答案] D

1．理想变压器不改变交变电流的周期和频率。

2．(1)U 1U 2＝n 1n 2

，无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的。 (2)输出电压U 2由输入电压U 1和原、副线圈的匝数比共同决定。

由U 1U 2＝n 1n 2得，U 1n 1＝U 2n 2＝ΔΦΔt

。 (3)若变压器有多个副线圈，有U 1U 2＝n 1n 2，U 1U 3＝n 1

n 3

，…，即电压关系仍成立。两个副线圈之间U 满足U 2U 3＝n 2n 3

。

1．一理想变压器原、副线圈匝数之比n 1∶n 2＝11∶5，原线圈与正弦交变电源连接，输入电压U 如图5­4­4所示。副线圈仅接入一个10 Ω的电阻，则( )

图5­4­4

A ．流过电阻的电流是20 A

B ．与电阻并联的电压表的示数是100 2 V

C ．经过1 分钟电阻发出的热量是6×103

J D ．变压器的输入功率是1×103

W

解析：选D 由电压的有效值和最大值的关系得

U 1＝

U m

2

＝220 V 。

根据理想变压器电压与匝数的关系U 1U 2＝n 1n 2

，

得U 2＝n 2n 1U 1＝5

11

×220 V ＝100 V ，

故电压表的示数是100 V ，B 错误；

I 2＝U 2R ＝100

10

A ＝10 A ，A 错误；

1 分钟内电阻发出的热量

Q ＝I 2Rt ＝102×10×60 J ＝6×104 J ，C 错误；

变压器的输入功率等于输出功率，

即P 入＝P 出＝U 2I 2＝100×10 W ＝1×103

W ，故D 正确。

2．(多选)(2016·全国丙卷)如图5­4­5，理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a 和b 。当输入电压U 为灯泡额定电压的10倍时，两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是( )

图5­4­5

A ．原、副线圈匝数比为9∶1

B ．原、副线圈匝数比为1∶9

C ．此时a 和b 的电功率之比为9∶1

D ．此时a 和b 的电功率之比为1∶9

解析：选AD 设灯泡的额定电压为U 0，输入电压为灯泡额定电压的10倍时灯泡正常发光，则变压器原线圈的电压为9U 0，变压器原、副线圈的匝数比为9∶1，选项A 正确，选项B 错误；由9U 0I a ＝U 0I b 得，流过b 灯泡的电流是流过a 灯泡电流的9倍，根据P ＝UI ，a 、b 灯泡的电功率之比为1∶9，选项C 错误，选项D 正确。

3.如图5­4­6所示，理想变压器原线圈匝数为n 1＝1 000 匝，两个副线圈匝数分别为

n 2＝50 匝和n 3＝100 匝，L 1是“6 V 2 W”的灯泡，L 2是“12 V 4 W”的灯泡，当原线圈

接正弦交变电流时，两灯泡均正常发光，那么原线圈中的电流为( )

图5­4­6