高中物理--变压器--课件

5.4变压器长江三峡大坝是世界上第一高水坝交流电路中实现电压改变的重要设备。目标概览学习目标：1.知道变压器的构造．2．理解变压器的工作原理．3．理解变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系，能用它来分析解决基本问题4．知道互感器的原理及用处．重点难点：1.变压器的工作原理．2.推导变压器原、副线圈电流与匝数的关系一、变压器的构造2.示意图一、变压器的构造铁芯原线圈副线圈3.电路图中符号铁芯与线圈互相绝缘n1n21.构造：（1）闭合铁芯（2）原线圈(初级圈)——与电源相连（3）副线圈(次级圈)—与负载相连问题1：原、副线圈并没有直接连接，那么在给原线圈接交变电压U后，副线圈电压U是怎样产生的？2.套在变压器铁芯上的两只线圈起什么作用？3.根据分析，原、副线圈即使不套在闭合铁芯上，它们之间仍然存在电磁感应关系，那么为什么说铁芯是变压器的必要组成部分？思考与讨论没有铁芯但靠得很近的原、副线圈的确存在互感关系，但它传输电能的效率太差，因为大部分磁感线都流失在线圈外，漏失的磁感线不会在原、副线圈之间起传输电能作用。而铁芯由于被磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯上，大大增强了变压器传输电能的效率。原、副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁通量的变化时刻都相同，由于原、副线圈中有交变电流而发生了互感现象，使电能可以通过交变磁场从原线圈到达副线圈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?=0～～——互感现象无漏磁---无铜损---r为零无铁损---无涡流理想变压器的特点：理想变压器模型——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97%～99%，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。12思考：原、副线圈的电压与什么因素有关系？请你根据所学过的知识进行猜想。三、变压器的变压规律理论探究：探究变压器线圈两端电压与匝数的关系I1I2n1n2U1U2原、副线圈中产生的感应电动势分别是：E1=n1/tE2=n2/tE1/n1=E2/n2原线圈回路有：U1−E1=I1r1≈0则U1=E1副线圈回路有：E2=U2+I2r2≈U2则U2=E2若不考虑原副线圈的内阻，则U1=E1；U2=E2则：U1/U2=n1/n2理想变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数之比n2n1U2U1-----升压变压器n2n1U2U1-----降压变压器U1/U2=n1/n2电压关系从电流与匝数的关系可知，变压器高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制，低压绕圈匝数少而通过的电流大，应用较粗的导线绕制．电流关系由于不存在各种能量损失，输入功率等于输出功率，即，也就是所以有12PP1122UIUI122211IUnIUn1．对副线圈只有一个的变压器由U1I1＝U2I2U1U2＝n1n2⇒I1I2＝n2n12．对副线圈有多个的变压器由U1I1＝U2I2＋U3I3＋…U1n1＝U2n2＝U3n3＝…⇒n1I1＝n2I2＋n3I3＋…(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总功率P入＝P线＋P2.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→I1→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：(1)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入”，即用户消耗多少，原线圈就提供多少，因而输出功率决定输入功率．(2)可以把理想变压器的副线圈看做给用户供电的无内阻电源，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．U1I1I2n1n2U2R几个因果关系1.输入功率P1由输出功率P2决定；P1＝P22.U1由电源决定；3.U2由U1和匝数比决定；U2＝n2/n1·U14.I2由U2和负载决定；I2＝U2／R5.I1由I2和匝数比决定；I1＝n2/n1·I2几种常用变压器1.自耦变压器升压变压器降压变压器问题:有没有只用一组线圈来实现变压的变压器?自耦变压器的原副线圈共用一个线圈n1n2U1U2n1n2U1U1U2U2U1U2n1n2U1U1U2U2n1n2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？2.互感器A电流互感器电压互感器V使用时把原线圈与电路并联，原线圈匝数多于副线圈匝数使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数钳式电流仪小结理想变压的两个变：变电压、变电流理想变压器的两个不变：功率不变、频率不变原线圈对于电源而言，相当于用电器；副线圈对于负载（用户）而言，相当于电源理想变压器是一个既不消耗也不储存能量，仅传输能量和信号电压高的线圈匝数多，电流小，用较细导线绕制；电压低的线圈匝数少，电流大，用较粗导线绕制关于理想变压器的说法正确的是()A．理想变压器不考虑铁芯漏磁与发热B.U1U2＝n1n2只适用于一个原线圈和一个副线圈组成的变压器C．在理想变压器中，无论有几个线圈一定有输入功率等于输出功率，即P入＝P出D．在理想变压器中，如果有多个(大于等于3个)线圈同时工作I1I2＝n2n1同样适用AC关于理想变压器在使用中的判断，其正确的是()A．当副线圈提供电能的用电器有一部分停止工作时，原线圈两端电压保持不变B．当副线圈提供电能的电路中，并联更多的用电器，原线圈输入的电流随之增大C．当副线圈与用电电路断开时，副线圈两端无电压D．当副线圈与用电电路断开时，原线圈两端无电压答案：AB课堂互动讲练如图17－4－3所示，原、副线圈匝数比为2∶1的理想变压器正常工作时()图17－4－3对变压器原理的理解例1A．原、副线圈磁通量之比为2∶1B．原、副线圈电流之比为1∶2C．输入功率和输出功率之比为1∶1D．原、副线圈磁通量变化率之比为1∶1【解析】理想变压器原副线圈的磁通量总相等(无漏磁)，A错D对；输入功率总等于输出功率，C对；电流与匝数满足n1n2＝I2I1，B对．【点评】对于“口”字形变压器，原、副线圈中磁通量变化率相等，因此每匝产生的电动势相等．对于其他形状的铁芯，要具体分析．【解析】理想变压器原副线圈的磁通量总相等(无漏磁)，A错D对；输入功率总等于输出功率，C对；电流与匝数满足n1n2＝I2I1，B对．【答案】BCD【点评】对于“口”字形变压器，原、副线圈中磁通量变化率相等，因此每匝产生的电动势相等．对于其他形状的铁芯，要具体分析．2.在图中，4个电灯的规格完全相同，而且都在正常发光，下述说法正确的有A．n1∶n2=1∶3B．n1∶n2=3∶1C．电源电压的有效值为一个电灯额定电压的4倍D．电源的输出能量与变压器的输出能量相等3.图中为一与电源相接的理想变压器。原线圈中电流为，副线圈中的电流为。当副线圈中的负载电阻减小时：21212121....AIIBIICIIDII变小，变小变小，变大变大，变大变大，变小变式训练1图17－4－4为某一变压器铁芯的示意图，已知原线圈匝数n1＝22匝，副线圈匝数n2＝6匝，原线圈ab两端输入交流电压u＝2202sinωtV，则副线圈cd端输出电压的有效值为()A．200VB．110VC．30VD．220V解析：选C.U1＝n1ΔΦΔt，U2＝n2·ΔΦΔt2.U1U2＝2n1n2，U2＝n22n1·U1＝62×22×220V＝30V.如图所示，变压器初次级线圈匝数分别为n1＝1000匝，n2＝500匝，n3＝200匝，次级线圈n2、n3分别接一个电阻R＝55Ω的灯泡，初级线圈上接入U＝220V交流电，求：(1)两次级线圈输出电功率之比．(2)初级线圈中的电流．变压器基本公式的应用例2【解析】(1)由U1U2＝n1n2，U1U3＝n1n3所以U2＝U1n2n1＝U2，U3＝n3U1n1＝U5又由P＝U2R，P2∶P3＝U22∶U23＝25∶4.(2)I2＝U2R＝2A，I3＝U3R＝0.8A.因P入＝P出，知n1I1＝n2I2＋n3I3，解得I1＝1.16A.【答案】(1)25∶4(2)1.16A【点评】U1U2＝n1n2既适用于一个副线圈的变压器也适用于多个副线圈的变压器，而I1I2＝n2n1只适用于一个副线圈的变压器，对于多级副线圈工作的变压器求解的方法是：一定要从P入＝P出，P＝UI入手求解．变式训练2如图17－4－6所示，一理想变压器原副线圈的匝数比为1∶2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220V，额定功率为22W；原线圈电路中接有电压表和电流表．现闭合开关，灯泡正常发光．若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则()A．U＝110V，I＝0.2AB．U＝110V，I＝0.05AC．U＝1102V，I＝0.2AD．U＝1102V，I＝0.22A解析：选A.由于灯泡正常发光，故灯泡两端电压即副线圈两端电压为U2＝220V，通过灯泡的电流即副线圈中的电流为I2＝22220A＝0.1A．根据理想变压器电压关系U1∶U2＝n1∶n2，得U1＝110V，电流关系I1∶I2＝n2∶n1，得I1＝0.2A，则U＝U1＝110V，I＝I1＝0.2A．故选项A正确，选项B、C、D错误．中为一理想变压器，其原线圈与一电压有效值不变的交流电源相连：P为滑动头．现令P从均匀密绕的副线圈最底端开始，沿副线圈匀速上滑，直至白炽灯泡L两端的电压等于其额定电压为止．用I1表示流过原线圈的电流，理想变压器各物理量的动态分析例3I2表示流过灯泡的电流，U2表示灯泡两端的电压，N2表示灯泡消耗的电功率(这里的电流、电压均指有效值；电功率指平均值)．下列4个图中，能够正确反映相应物理量的变化趋势的是()图17－4－8【自主解答】滑动头向上匀速滑动，副线圈匝数均匀增加与时间t成正比，由U1U2＝n1n2，得：U2＝n2U1n1，则U2与t也成正比，选项C正确；随着白炽灯变亮，其本身电阻也逐渐增大，灯泡的I－t图线斜率逐渐减小，B项正确；由于副线圈输出功率增大，原线圈的输入功率也增大，由P＝UI知，输入电流也要增大，故A错；灯泡消耗的功率N2＝U22R，所以N2与U2不成正比，即N－t图象不满足正比例函数关系，故D错．【答案】BC4．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．