第2节变压器,1,2,3,4,1.变压器的结构 (1)变压器: 它是改变交流电压的设备。如图甲所示,变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成,其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成,线圈用绝缘导线绕成。与电源连接的线圈叫原线圈,与负载连接的线圈叫副线圈。在电路中,变压器的符号如图乙所示。,(2)种类: 变压器分为升压变压器和降压变压器两种。,1,2,3,4,2.变压器的工作原理 (1)变压器的工作原理是电磁感应。 (2)当原线圈上加交变电压时,由于原线圈中电流的大小、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。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磁通量,在原、副线圈中同样要引起感应电动势。由于这种互感现象,原、副线圈间虽然没有导线相连,电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。 (3)没有能量损失的变压器,称为理想变压器。因为理想变压器不计一切电磁能量损失,因此,理想变压器的输入功率等于输出功率。,1,2,3,4,3.理想变压器的关系 (1)电压与匝数的关系: 1 2 = 1 2 。 (2)电流与匝数的关系(只有一个副线圈): 1 2 = 2 1 。 (3)功率关系:P2=P1。,1,2,3,4,4.自耦变压器,铁芯上只绕有一个线圈,三个抽头,线圈既提供原线圈,又提供副线圈,自耦变压器变压规律与一般变压器相同。如调压变压器是一种自耦变压器,如图所示。,1,2,3,4,练一练 (多选)一理想变压器,原线圈和副线圈的匝数分别为n1和n2,正常工作时输入和输出的电压、电流、功率分别为U1和U2、I1和I2、P1和P2,已知n1n2,则() A.U1U2B.P1=P2 C.I1P2 解析:因变压器为理想变压器,故有 1 2 = 1 2 ,P1=P2,由题意知n1n2,则U1U2,又因I1U1=I2U2,则I1I2,故选项A、B、C正确。 答案:ABC,探究一,探究二,探究一理想变压器的构造及工作原理 问题导引 在课外,某同学在进行低压交流变压器实验的准备工作时,发现缺少电源,于是就用一种摩托车的蓄电池代替,按图进行实验。,探究一,探究二,想一想:你能从这个实验中观察到什么现象,并加以说明。 提示因蓄电池是直流电源,故连接到副线圈上的小灯泡不会持续发光,只是在闭合和断开开关瞬间闪亮,之后熄灭。原因是:恒定电压加在原线圈上瞬间,线圈内的磁通量发生变化,因而副线圈中的磁通量也发生变化,所以由E=n 知,副线圈中有感应电动势,灯泡闪亮,之后原线圈中电流恒定,线圈内的磁通量恒定不变,副线圈中无电动势,因而灯泡闪亮后熄灭。,探究一,探究二,名师精讲 1.构造 变压器由一个闭合的铁芯、原线圈和副线圈组成,两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的,铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成,是用来改变交变电压的装置(单相变压器的构造示意图及电路图中的符号分别如图甲、乙所示)。,探究一,探究二,2.工作原理,如图所示,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磁通量,在原、副线圈中同样要引起感应电动势。由于互感现象,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。,探究一,探究二,特别提醒 (1)变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用。 (2)变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起,两个线圈间是绝缘的。 (3)变压器只改变交变电流的电压,不改变交变电流的周期和频率。,探究一,探究二,例题1,如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1n2=41,原线圈两端连接光滑导轨,副线圈与电阻R相连组成闭合回路。当直导线AB在匀强磁场中沿导轨匀速地向右做切割磁感线运动时,电流表A1的读数为12 mA,那么电流表A2的读数为() A.0B.3 mA C.48 mAD.与R的大小有关,探究一,探究二,解析:导线AB切割磁感线产生的感应电动势E感=Blv。由于B、l、v三个量均不变,故感应电动势为一定值,因此原线圈的电压不变,原线圈中电流恒为12 mA,无法产生互感现象,故副线圈输出电压为0,电流表A2的示数为0。选项A正确。 答案:A 反思 (1)互感现象是变压器工作的基础:变压器通过闭合铁芯,利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。 (2)变压器是依据电磁感应工作的,因此只能工作在电流变化的电路中,如果变压器接入恒定直流电路,原线圈中的电流不变,在铁芯中不能引起磁通量的变化,没有互感现象出现,变压器起不到变压作用。,探究一,探究二,变式训练1关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是() A.通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变 B.穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 C.穿过副线圈的磁通量变化使得副线圈产生感应电动势 D.原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈 解析:通有正弦式交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不变,故磁通量变化,选项A错误;因理想变压器无漏磁,故选项B错误;由互感现象知选项C正确;原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能,原、副线圈通过磁场联系在一起,故选项D错误。 答案:C,探究一,探究二,探究二理想变压器的基本关系及制约因素 问题导引 有一台单相旧变压器,铭牌掉了不知去向,现在想测一下它的匝数比,请你想想办法,需要哪些仪器?,提示需要交流电压表。把变压器的一线圈接入一交流电源,分别用交流电压表测出变压器的输入端电压U1和输出端电压U2,则变压器的匝数比为 1 2 = 1 2 。,探究一,探究二,探究一,探究二,2.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( 1 2 )一定时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2= 2 1 1 。 (2)电流制约: 当变压器原、副线圈的匝数比( 1 2 )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= 2 2 1 。 (3)功率制约: P2决定P1,P2增大,P1增大;P2减小,P1减小;P2为0,P1为0。,探究一,探究二,特别提醒 (1)变压器的电动势关系、电压关系和电流关系是有效值(或最大值)间的关系,对于某时刻的瞬时值其关系不成立。 (2)变压器高压圈匝数多而导线细,低压圈匝数少而导线粗,这是区别高、低压线圈的方法。 (3)变压器原、副线圈功率制约关系、电流制约关系实质上体现了能量守恒特点(不计变压器能量损失),消耗了多少能量,必定提供了多少能量,反过来提供了不消耗或提供的多消耗的少,显然是不符合能量守恒定律的。,探究一,探究二,例题2 (多选),如图所示为一理想变压器,S为单刀双掷开关,P为滑动变阻器的滑片,U1为变压器原线圈两端的电压,I1为原线圈中的电流,则 () A.保持U1及P的位置不变,S由a合到b时,I1将增大 B.保持U1及P的位置不变,S由b合到a时,R消耗的功率减小 C.保持U1不变,S合在a处,使P上滑,I1将增大 D.保持P的位置不变,S合在a处,若U1增大,I1将增大 思路:开关S在不同位置,原线圈匝数n1不同滑片P移动R变化据电压、电流和功率关系作出判断,探究一,探究二,解析:由变压器的电压关系得U2= 2 1 U1,所以P2= 2 2 =( 2 1 )2 1 2 又P1=I1U1且P2=P1,所以I1=( 2 1 )2 1 由两式可知, S由a合到b,则n1减小,n2不变,故I1增大; S由b合到a,则n1增大,n2不变,故P2减小; 滑片P上滑,则R增大,I1减小; 若U1增大,则I1增大。 故选项A、B、D正确。 答案:ABD,探究一,探究二,反思 解答变压器动态问题时,首先要根据题意分清变量和不变量,其次要明确变量之间的相互制约关系: (1)输入电压决定输出电压;(2)输出电流决定输入电流;(3)输出功率决定输入功率。,变式训练2如图甲是一理想变压器的电路连接,图乙是在原线圈两端所加的电压随时间变化的关系,已知原、副线圈的匝数比为101,电流表A2的示数为2 A,开关S断开,求:,探究一,探究二,(1)变压器的输入功率和电压表的示数; (2)将开关S闭合,定性分析电路中三只电表的示数变化情况。,探究一,探究二,解析:(1)由图乙可知输入电压的有效值U1=200V,由 1 2 = 1 2 得变压器输出电压U2= 2 1 U1=20V。变压器的输入功率P1等于输出功率P2,P1=P2=U2I2=202W=40W。 (2)将S闭合,U2不变,即电压表示数保持为20V不变,由于负载增多,负载的总电阻减小,电流表A2的示数增大,副线圈的输出功率增加,原线圈的输入功率随之增加,电流表A1的示数增大。 答案:(1)40 W20 V (2)电流表A1示数增大,电流表A2示数增大,电压表示数不变。,1 2 3 4 5,1.理想变压器正常工作时,原、副线圈中不相同的物理量为 () A.每匝线圈中磁通量的变化率 B.交变电流的频率 C.原线圈的输入功率和副线圈的输出功率 D.原线圈中的感应电动势和副线圈中的感应电动势 解析:理想变压器是没有能量损失的变压器,铁芯中无磁漏,所以每匝线圈中磁通量相等,其变化率也相等,故选项A、C错误;根据变压器的工作原理及用途,选项B错误,选项D正确。 答案:D,1 2 3 4 5,2.对于理想变压器,下列说法中不正确的是() 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,随着副线圈的输出电流增大而增大 C.原线圈的电压,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 解析:副线圈的输出功率大小决定原线圈的输入功率大小,选项A正确;副线圈的电流决定原线圈的电流,选项B正确;原线圈的电压决定副线圈的电压,与副线圈中电流的变化无关,选项C正确;当副线圈的电流为零时,原线圈的电流为零,但电压不是零,选项D错误。 答案:D,1 2 3 4 5,3.如图所示四个电路中,能够实现升压的是(),解析:变压器不能对恒定直流变压,故选项A、B错误;由于电压与线圈匝数成正比,所以选项D能实现升压。 答案:D,1 2 3 4 5,4.(多选)一理想变压器原、副线圈的匝数比为101,原线圈输入电压的变化规律如图甲所示,副线圈所接电路如图乙所示,P为滑动变阻器的触头。下列说法正确的是 (),A.副线圈输出电压的频率为50 Hz B.副线圈输出电压的有效值为31 V C.P向右移动时,原、副线圈的电流比减小 D.P向右移动时,变压器的输出功率增加,1 2 3 4 5,解析:由题图可知,交流电周期T=210-2s,频率f= 1 =50Hz,因为原、副线圈交流电频率相同,所以选项A正确;原线圈电压的有效值为E= m 2 =220V,由原、副线圈的匝数比为101,可得副线圈输出电压的有效值为22V,所以选项B错误;P向右移动,副线圈电阻减小,电流增大,而原、副线圈匝数不变,电压不变,故输出功率增加,因此选项C错误,选项D正确。 答案:AD,1 2 3 4 5,5.如图所示,一理想变压器原线圈匝数n1=1 100,副线圈匝数n2=220,交流电源的电压u=220 2 sin 100t V,电阻R=44 ,电压表、电流表均为理想电表。则:,(1)电压表的读数是多大? (2)两电流表的读数各是多大? (3)负载R在10 s内消耗的电能是多少?,1 2 3 4 5,解析:(1)由 1 2 = 1 2 知,副线圈两端的电压 U2= 2 1 U1=44V。 (2)根据欧姆定律 I2= 2 =1A 由 1 2 = 2 1 I1= 2