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第4讲 变压器[目标定位]
1.了解变压器的构造,知道变压器为什么能够改变交变电压.
2.由实验探究总结变压器原、副线圈的电压与两个线圈匝数的关系.
3.了解几种常见的变压器类型以及应用.
4.体验科学探究过程,培养实验设计与分析论证能力.
一、变压器的结构
1.变压器由铁芯和绕在铁芯上的线圈组成.
2.线圈1变压器的一个线圈跟前一级电路连接,叫做原线圈,也叫初级线圈.2另一线圈跟下一级电路连接,叫做副线圈,也叫次级线圈.想一想 图3-4-1中的灯泡没有直接与电源连接,为什么能发光?电能从哪儿来的?图3-4-1答案 变压器使电能转化为磁场能,又把磁场能转化为电能.
二、变压器为什么能改变电压 原线圈中通过电流时,铁芯中产生磁场,由于交变电流的大小和方向都在不断变化,铁芯中磁场的强弱和方向也都在不断变化.副线圈与原线圈是套在同一个铁芯上的,通过副线圈的磁场也在不断变化,于是就在副线圈内产生了感应电动势.在同一个铁芯上,哪个线圈的匝数多,哪个线圈的电压就高.想一想 变压器能不能改变直流电的电压?答案 不能.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.
一、变压器的工作原理
1.变压器工作的基本原理和发电机一样,也是电磁感应现象如图3-4-2所示.图3-4-
22.当原线圈上加交变电压时,原线圈中就有交变电流,铁芯中产生交变的磁通量,在原、副线圈中都要引起感应电动势,如果副线圈是闭合的,则副线圈中将产生感应电流,它也要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,在原、副线圈中由于有交变电流而发生互感现象.
3.穿过每匝线圈中的磁通量的变化率是一样的,因此每匝线圈中产生的感应电动势大小相等,匝数越多,总感应电动势越大.
4.能量转换变压器是把电能转化为磁场能,又把磁场能转化为电能的装置.例1 下图中,属于升压变压器且能使灯泡发光的电路是 答案 C解析 变压器不改变直流的电压,A、D错;升压变压器的原线圈比副线圈的匝数少,B错,C对.针对训练1 对一正在工作中的变压器,下列说法正确的是 A.副线圈中的电流是从原线圈中传过来的B.铁芯是用来导电的C.副线圈中电流变小,原线圈中的电流也一定减小D.副线圈相当于一个电源答案 CD解析 原、副线圈及铁芯间都是彼此绝缘的,铁芯是用来导磁的,故A、B错;由能量守恒知C正确;副线圈把磁场能转化为电能,给用电器提供电压电流,相当于一个电源,D正确.
二、变压器的规律
1.电压关系设原线圈匝数n1,输入电压U1,副线圈匝数n2,输出电压U2,则=.1n1n2,是降压变压器,用户附近的变电室内的变压器一般是降压变压器.2n1n2,是升压变压器,发电站出来的电压一般要先经过升压变压器升压.
2.频率关系变压器输出电压与输入电压的频率相等.
3.功率关系对于理想变压器,由于不考虑能量损失,由能量守恒得P入=P出,即P1=P
2.
4.电流关系由P1=P2,即I1U1=I2U2,又=,所以=适用于只有一个原、副线圈的情况例2 一台理想变压器,原、副线圈的匝数比n1∶n2=20∶1,原线圈接入220V的交流电压,副线圈向一电阻为110Ω的用电器供电,则副线圈中的电流为 A.2AB.
0.1AC.
0.5AD.
0.005A答案 B解析 由于=,故U2=·U1=×220V=11V,故副线圈电流I2==
0.1A,B对.针对训练2 如图3-4-3所示,一台理想变压器的原、副线圈的匝数比为n1∶n2=40∶1,在副线圈两端接有“6V 40W”的电灯泡.若灯泡正常发光,则下列说法中正确的是 图3-4-3A.在原、副线圈中,通过每匝线圈的磁通量时时刻刻都相同B.通过原、副线圈的交变电流的频率相同C.变压器输入电压的最大值为240VD.变压器的输入功率为40W答案 ABD解析 由变压器基本原理可知,理想变压器原、副线圈中通过每匝线圈的磁通量都相等,通过原、副线圈的交变电流的频率相同,所以选项A、B正确;因为灯泡正常发光,所以变压器输出电压的有效值为6V,由电压关系可知,原线圈输入电压的有效值为240V,不是最大值,所以选项C错误;理想变压器的输入功率与输出功率相等,所以变压器的输入功率为40W,选项D正确.对变压器原理的理解
1.下列说法中不正确的是 A.变压器也可能改变恒定电压B.变压器的原理是一种电磁感应现象,副线圈输出的电流是原线圈电流的感应电流C.变压器由绕在同一闭合铁芯上的若干线圈构成D.变压器原线圈相对电源而言起负载作用,而副线圈相对负载而言起电源作用答案 A解析 变压器可以改变交变电流的电压、电流,其工作原理是电磁感应现象.
2.如图3-4-4所示,为变压器的示意图,它被用来升高发电机的输出电压,下列说法中正确的是 图3-4-4A.图中M是闭合的铁芯B.发电机应与线圈Ⅰ相连,升高后的电压由c、d两端输出C.电流以铁芯为通路从一个线圈流到另一个线圈D.变压器是根据电磁感应原理工作的答案 AD解析 由题知该变压器为升压变压器,所以原线圈匝数小于副线圈匝数,故Ⅱ为输入端即接发电机,Ⅰ为输出端,B错误;铁芯提供闭合的磁路,使电能先转化成磁场能,再在副线圈中转化成电能,所以C项错误,故A、D正确.变压器的规律及应用
3.理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1,以下说法中正确的是 A.穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1B.穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等C.原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1D.正常工作时,原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1答案 BD解析 对理想变压器,无磁通量损漏,因而穿过两个线圈的交变磁通量相同,磁通量变化率相同,因而每匝线圈产生感应电动势相等,电压与匝数成正比;理想变压器可以忽略热损耗,故输入功率等于输出功率.B、D正确.
4.收音机中的变压器,原线圈有1210匝,接在220V的交流电源上.要得到5V、
6.3V和350V三种输出电压,三个副线圈的匝数各是多少?答案 28匝 35匝 1925匝解析 根据变压比公式可得n副=·n原,5V绕组匝数n1=·n原=×1210匝≈28匝,
6.3V绕组匝数n2=·n原=×1210匝≈35匝,350V绕组匝数n3=·n原=×1210匝=1925匝.时间60分钟题组
一、对变压器原理的理解
1.下列关于变压器的说法中正确的是 A.变压器是把电能通过磁场能转换成电能的装置B.变压器的原、副线圈组成闭合回路C.变压器的铁芯中产生交变电流D.变压器的副线圈中产生直流电答案 A
2.关于理想变压器,下面各说法中正确的是 A.它的输出功率可以大于它的输入功率B.它不仅可以改变交流电压还可以改变直流电压C.原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比D.原、副线圈的电流与它们的匝数成正比答案 C解析 理想变压器的输出功率等于输入功率,A错;变压器不能改变直流的电压,B错;原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比,通过原、副线圈的电流与它们的匝数成反比,C正确,D错误.
3.对变压器工作原理,下列说法正确的是 A.变压器只改变交流电压B.变压器可以改变交流电压,也可以改变直流电压C.变压器原、副线圈的磁通量变化率相同D.变压器副线圈匝数越多,副线圈上的电压越小答案 AC解析 根据变压器的工作原理,变压器只改变交流电压,选项A正确,B错误;原、副线圈磁通量的变化率相同,选项C正确;由E=n,可知D错误.
4.理想变压器的原、副线圈中一定相同的物理量有 A.交流电的频率B.磁通量的变化率C.功率D.交流电的峰值答案 ABC解析 理想变压器原、副线圈的功率相等,频率相同,磁通量相同,磁通量变化率相同.
5.把直流电源接到变压器的原线圈上,变压器却不能改变直流电压.其原因是 A.没有磁通量通过原线圈B.没有磁通量通过副线圈C.通过原、副线圈的磁通量没有变化D.通过原、副线圈的磁通量不相等答案 C解析 直流电的磁场是不变的,所以通过原、副线圈的磁通量就不变,也就没有在副线圈上产生感应电动势,故选项C正确.题组
二、变压器的规律及应用
6.将输入电压为220V、输出电压为6V的变压器改绕成输出电压为24V的变压器.已知副线圈原来的匝数为36匝,现不改变原线圈的匝数,则副线圈应增绕的匝数为 A.144匝B.108匝C.180匝D.540匝答案 B解析 由=得n1=n2=×36匝=1320匝,又=得n2′=n1=×1320匝=144匝,Δn=n2′-n2=144-36=108匝.
7.一台理想降压变压器从10kV的线路中降压并提供200A的负载电流.已知两个线圈的匝数比为40∶1,则变压器的输出电压及输出功率是 A.250V,50kWB.10kV,200kWC.250V,200kWD.10kV,2×103kW答案 A解析 由=得U2==V=250V,由理想变压器功率关系得P入=P出=U1I1=U2I2=200×250W=50kW.故选项A正确.
8.如图3-4-5所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=1∶4,在A、B端输入交流电压uAB=15sin100πtV,电流表的示数为1A,电路中电流表和电压表均为理想电表,则 图3-4-5A.交流电的频率为100HzB.电压表的示数为60VC.灯泡L消耗的功率为15WD.灯泡L的电阻为15Ω答案 BC解析 由交流电的瞬时表达式可知交流电的频率为f==50Hz,A项错误;根据变压比可知,副线圈输出电压为U2=U1=×15V=60V,即电压表的示数为60V,B项正确;由变流比可知副线圈中的电流I2=I1=×1A=A,因此灯泡消耗的功率为P=U2I2=60×W=15W,C项正确;灯泡的电阻为R==240Ω,D项错误.
9.一台理想变压器,其原线圈2200匝,副线圈440匝,并接一个100Ω的负载电阻,如图3-4-6所示.图3-4-61当原线圈接在44V直流电源上时,电压表示数为________V,电流表示数为________A.2当原线圈接在220V交流电源上时,电压表示数为________V,电流表示数为________A,此时输入功率为________W.答案 10 0 244
0.44
19.36解析 1原线圈接在直流电源上时,由于原线圈中的电流恒定,所以穿过原、副线圈的磁通量不发生变化,副线圈两端不产生感应电动势,故电压表示数为零,电流表示数也为零.2由=得U2=U1=220×V=44V电压表读数,I2==A=
0.44A电流表读数,P入=P出=I2U2=
0.44×44W=
19.36W.
10.为了安全,机床上照明电灯用的电压是36V,这个电压是把220V的电压降压后得到的.如果变压器的原线圈是1100匝,能量损失不计,副线圈应该是多少匝?答案 180解析 对于理想的变压器而言,由=得=,故副线圈的匝数应为n2=180匝.。