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5.4 变压器【新人教版】【课件】


5.4《变压器》

(一)知识与技能 1.知道变压器的构造,了解变压器的工作原理。 2.理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系,能 应用它分析解决有关问题。 (二)过程与方法 在探究变压比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化 模型分析问题、解决问题的能力。 情感、 (三)情感、态度与价值观 1.使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。 2.培养学生实事求是的科学态度。 教学重点: 教学重点:探究变压比和匝数比的关系。 教学难点: 教学难点:探究变压比和匝数比的关系。 教学方法: 教学方法:实验探究法、阅读法、讲解法。 教学手段: 教学手段:学生电源、可拆变压器、交流电压表、交流电 流表、灯泡

教 学 目 标

变压器

照明灯电压------220伏 伏 照明灯电压 机床上照明灯------36伏 机床上照明灯 伏 半导体收音机电源电压不超过10伏 半导体收音机电源电压不超过 伏 大型发电机交流电压------几万伏 大型发电机交流电压 几万伏 远距离输电------几十万伏 远距离输电 几十万伏 电视机显像管却需要10000V以上电压 电视机显像管却需要 以上电压 交流便于改变电压,以适应各种不同的需要 交流便于改变电压, 变压器就是改变交流电压的设备 变压器就是改变交流电压的设备 交流

几种常见的变压器

一、变压器的构造 1.示意图 1.示意图
原 线 圈

2.构造: 2.构造: (1)闭合铁芯 (绝缘 构造 铁 硅钢片叠合而成) 硅钢片叠合而成)

n2 U2 ∽

∽ U1

n1

(2)原线圈(初级线 原线圈( ):其匝数用 其匝数用n 副 圈):其匝数用n1表示
线 圈

(3)副线圈(次级线 副线圈( 圈):其匝数用n2表示 ):其匝数用n 其匝数用

输出电压: (4)输入电压:U1; 输出电压:U2. 输入电压:

3.电路图中符号 3.电路图中符号
n1 n2
∽ U1

n1

n2

U2 ∽

铁芯与线圈互相绝缘 问题:变压器副线圈和原线圈电路是否相通? 问题:变压器副线圈和原线圈电路是否相通? 变压器原副线圈不相通, 变压器原副线圈不相通,那么在给原线 圈接交变电压 交变电压U 副线圈电压U 圈接交变电压U1后,副线圈电压U2是怎 样产生的? 样产生的?

二、变压器的工作原理 ------互感现象 互感现象 变压器通过闭合铁 芯,利用互感现象实 现了电能( 现了电能(U1、I1) 到磁场能( 到磁场能(变化的磁 场)再到电能( U2、 再到电能( 转化。 I2)转化。
U2


∽ U1

n1

n2

副 原 线 线 铁芯 圈 圈 互感现象:在原副线圈中由于有交变电 互感现象:在原副线圈中由于有交变电 而发生的互相感应现象。 流而发生的互相感应现象。 若给原线圈接直流电压, 副线圈电压 副线圈电压U 若给原线圈接直流电压,U副线圈电压U2 ? 直流电压

闭合铁芯实现了电能---磁场能---电能的转换, 闭合铁芯实现了电能---磁场能---电能的转换, ---磁场能---电能的转换 由于原副线圈中的电流共同产生的磁通量绝 大部分通过铁芯, 大部分通过铁芯,使能量在转换过程中损失 很小,为了便于研究, 很小,为了便于研究,物理学中引入了一种 理想化模型------理想变压器。 ------理想变压器 理想化模型------理想变压器。 理 想 变 压 器 无磁损 无铁损 无铜损 下面我们定 量分析理想 变压器的变 压规律。 压规律。

研究原副线圈两端电压关系的实验 次数 U1 U2 1 2 3 4 5

V1

V2

实验结论: 原副线圈两端电压之比等于 这两个线圈的匝数比。

三、理想变压器的变压规律 原、副线圈中产生的感应 电动势分别是: 电动势分别是: ?Φ/ E1=n1?Φ/ ?t E2=n2?Φ/ ?t ?Φ/ 原线圈回路有:U1? E1=I1r1≈ 0 原线圈回路有:

I1

I2 n2 U2

U1 n1

E1/n1= E2/n2 则 U 1 =E1 则U2=E2

E 副线圈回路有: 副线圈回路有: 2=U2 +I2r2 ≈U2

若不考虑原副线圈的内阻, 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 理想变压器原副线圈的端电压之比等于 端电压之比 这两个线圈的匝数之比 这两个线圈的匝数之比 U1/U2= n1/n2 -----升压变压器 n2 >n1 U2>U1 -----升压变压器 -----降压变压器 n2 <n1 U2 <U1 -----降压变压器

四、理想变压器的变流规律 问题:原副线圈的电流可能满足何规律? 问题:原副线圈的电流可能满足何规律? 1.理想变压器输出功率应等于输入功率 1.理想变压器输出功率应等于输入功率 即: P出= P入 U1I1=U2I2

I 1/ I 2= U2 / U1= n2 / n1

2.理想变压器原副线圈的电流跟它们的匝 2.理想变压器原副线圈的电流跟它们的匝 数成反比 I 1/ I 2= n2 / n1 此公式只适用于一个副线圈的变压器 变压器工作时,高压线圈匝数多而通过的 变压器工作时, 电流小,可用较细的导线绕制; 电流小,可用较细的导线绕制;低压线圈 匝数少而通过的电流大, 匝数少而通过的电流大,应当用较粗的导 线绕制。 线绕制。 这也是判定高压线圈和低压线 圈的一种方法。 圈的一种方法。

输入输出电压、电流、 输入输出电压、电流、功率大小之间的因 果关系 1.输入功率 1由输出功率 2决定;P1=P2 输入功率P 输入功率 由输出功率P 决定; 2.U1由电源决定; 由电源决定; 3.U2由U1和匝数比决定;U2=n2/n1·U1 和匝数比决定; 4.I2由U2和负载决定; I2=U2/R 和负载决定; 5.I1由I2和匝数比决定; 和匝数比决定; I1=n2/n1·I2

I1

I2 n 2U 2 R

U1 n1

【例1】理想变压器原、副线圈的匝数比n1:n2= 理想变压器原、副线圈的匝数比n 4:1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线 运动切割磁感线时,图中电流表A 的示数12mA 12mA, 运动切割磁感线时,图中电流表A1的示数12mA, 则电流表A 的示数为———— ————( 则电流表A2的示数为————( ) B. C. D.与负载R A.3mA B.0 C.48mA D.与负载R 的值有关
解析:变压器只能工作于交流电路, 不能工作在恒定电流和恒定电压的电 路,导体棒向左匀速切割磁感线时, 在线圈n1中通过的是恒定电流,不能引 起穿过线圈n2的磁通量变化,在副线圈 n2上无感应电动势出现,所以A2中无电 流通过。

【例2】一理想变压器,其原线圈2200匝,副 一理想变压器,其原线圈2200匝 2200 线圈440 440匝 并接一个100Ω的负载电阻, 100Ω的负载电阻 线圈440匝,并接一个100Ω的负载电阻,如图 所示。 所示。 当原线圈接在44V直流电源电源上时, 44V直流电源电源上时 (1)当原线圈接在44V直流电源电源上时,电 压表示数为________V,电流表示数为______A. ________V,电流表示数为 0 压表示数为________V,电流表示数为______A. 0 当原线圈接在220V交变电源上时, 220V交变电源上时 (2)当原线圈接在220V交变电源上时,电压 44 0.44 表示数为________V 电流表示数为_______A, ________V, 表示数为________V,电流表示数为_______A, 19.36 此时输入功率为_______W. 此时输入功率为_______W.

练习1.一理想变压器,原线圈匝数n =1100, 练习1.一理想变压器,原线圈匝数n1=1100, 1.一理想变压器 接在电压220V的交流电源上,当它对11只并 接在电压220V的交流电源上,当它对11只并 220V的交流电源上 11 联的“36V,60w”的灯泡供电时 的灯泡供电时, 联的“36V,60w 的灯泡供电时,灯泡正常 180 发光。由此可知副线圈的匝数n =_____, 发光。由此可知副线圈的匝数n2=_____,通 3A =______。 过原线圈的电流 I1 =______。
解:
U1 n1 U2 = n2 P2 I2= U 2 220 1100 36 = n2 n2=180

n2 P 2 n2 11× I1 = n I2 = n U = 180×11×60 所以: 所以: 1100×36 1 1 2 =3A

练习2、如图所示,一理想变压器原、 练习 、如图所示,一理想变压器原、副线圈的匝 数比为n 数比为 1 : n2=3: 1, 有四只相同的灯泡连入电路 : , 泡L 中 , 若 灯 泡 2 、 L3 、 L4 均 能 正常 发 光 , 则 灯泡 L1 ( ) A、也能正常发光 、 B、较另三个灯暗些 、 C、将会烧坏 、 D、不能确定 、 L1

A

1

U1

n1 n2 L2 L3 L4

所示。 例3.钳形电流表的外形和结构如图(a)所示。图 3.钳形电流表的外形和结构如图( 钳形电流表的外形和结构如图 中电流表的读数为1.2A (a)中电流表的读数为1.2A 。图(b)中用同一电 缆线绕了3 缆线绕了3匝,则 A.这种电流表能测直流电流 这种电流表能测直流电流, A.这种电流表能测直流电流,图(b)的读数为 2.4A B.这种电流表能测交流电流 这种电流表能测交流电流, B.这种电流表能测交流电流,图(b)的读数为 0.4A C.这种电流表能测交流电流 这种电流表能测交流电流, C.这种电流表能测交流电流,图(b)的读数为 3.6A D.这种电流表既能测直流电流 又能测交流电流, 这种电流表既能测直流电流, D.这种电流表既能测直流电流,又能测交流电流, 的读数为3.6A 图 (b)的读数为3.6A

C

铁 芯

A

图 ( a ) 图 ( b) )

五、几种常用变压器 1.自耦变压器 1.自耦变压器
P

问题: 问题:有没有只 用一组线圈来实 现变压的变压器? 现变压的变压器? 自耦变压器的 原副线圈共用一 个线圈
n2

U1

A B

U2

U1

n1

n2 U 2

U1

n1

U2

降压变压器

升压变压器

2.互感器 2.互感器

V

A

电压互感器
使用时把原线圈与 电路并联,原线圈匝 数多于副线圈匝数

电流互感器
使用时把原线圈与 电路串联,原线圈匝 数少于副线圈匝数

例4.为了保证用电安全,家庭居室的室内电路前端一 4.为了保证用电安全, 为了保证用电安全 般都安装漏电保护开关,如图所示是保护开关的电路 般都安装漏电保护开关, 原理简图. 原理简图. 问: 电路正常工作时, 线圈是没有电流的, (1)电路正常工作时,b线圈是没有电流的,原 因是什么? 因是什么? 如果站在地上的人不小心接触火线时, (2)如果站在地上的人不小心接触火线时,b线 圈为什么会产生感应电流? 圈为什么会产生感应电流?

发电厂的零线是接地的, 解析 发电厂的零线是接地的,漏电保护开关有一个结 构和变压器相似的电流互感器,其铁芯的a 构和变压器相似的电流互感器,其铁芯的a侧有两个形 绕向和匝数都完全相同的线圈( 状、绕向和匝数都完全相同的线圈(图中分别用实线 和虚线表示),它们分别将用电器和火线、 ),它们分别将用电器和火线 和虚线表示),它们分别将用电器和火线、零线串联 起来,220V交变电流在MNO、GRK与发电厂之间流过 交变电流在MNO 与发电厂之间流过; 起来,220V交变电流在MNO、GRK与发电厂之间流过; 铁芯的b侧有另一个线圈与电磁继电器J的线圈( 铁芯的b侧有另一个线圈与电磁继电器J的线圈(图中 未画出)并联,室内电路正常工作时, 线圈没有电流, 未画出)并联,室内电路正常工作时,b线圈没有电流, 保持导通状态,当漏电时, 线圈便会产生感应电流, J保持导通状态,当漏电时,b线圈便会产生感应电流, 推动电磁继电器J切断用电器的电路, 推动电磁继电器J切断用电器的电路,从而防止事故的 发生. 发生.

电流互感器a侧两线圈完全相同, 答案 (1)电流互感器a侧两线圈完全相同,流过两 线圈的电流大小相等,方向相反, 线圈的电流大小相等,方向相反,它们产生的磁场相 互抵消, 侧线圈磁通量总为零而不变, 互抵消,b侧线圈磁通量总为零而不变,线圈中不产 生感应电流. 生感应电流. (2)火线的电流有一部分流经人体,经大地流回发电 火线的电流有一部分流经人体, 侧两线圈电流大小不等,产生“剩余电流” 厂,a侧两线圈电流大小不等,产生“剩余电流”在 铁芯中产生变化的“剩余磁通” 铁芯中产生变化的“剩余磁通”,b侧线圈中磁通量 发生变化,线圈中产生感应电流. 发生变化,线圈中产生感应电流.

练习3.(1999全国卷)如图是4 练习3.(1999全国卷)如图是4种亮度可调的台灯的 3. 全国卷 电路的示意图,它们所用的灯泡相同,且都是“ 电路的示意图,它们所用的灯泡相同,且都是“220V 40W”,当灯泡消耗的功率都调至20W 20W时 40W”,当灯泡消耗的功率都调至20W时,哪种台灯 消耗的功率最小? 消耗的功率最小? 答案 C

答案 C

理想变压器的输入功率等于输出功率, 解析 理想变压器的输入功率等于输出功率,在变压 器上是没有功率损失的, 器上是没有功率损失的,所以含有变压器的台灯消耗 功率就等于灯泡消耗的功率. 功率就等于灯泡消耗的功率.而其余三种电路中有另 外的变阻器,除灯泡消耗功率外, 外的变阻器,除灯泡消耗功率外,在变阻器上有额外 的功率损失. 的功率损失.

六、解决有多个副线圈的理想变压器的问题 一个原线圈多个副线圈的理想变压器, 一个原线圈多个副线圈的理想变压器,原 线圈匝数为n 两个副线圈的匝数分别为n 线圈匝数为n1,两个副线圈的匝数分别为n2和n3, 相应的电压分别为U 相应的电压分别为U1、U2和U3,相应的电流分别 根据变压器的工作原理可得: 为I1、I2和I3,根据变压器的工作原理可得:
U1 n1 = ???????(1) U2 n2
U1 n1 = ? ? ? ? ? ? ? ( 2) U3 n3

由( )(2)式得: 1

U 2 n2 = ? ? ? ? ? ?(3) U 3 n3

根据P入=P出得

I1U1=I 2 U 2+I3 U 3 --------(4)

将( )(3)式代入(4)式得 1
n3 n1 I1U 2 = I 2U 2 + I 3U 2 n2 n2

∴ I1n1 = I 2 n2 + I 3n3

【例5】一台理想变压器原线圈匝数n1=1100 一台理想变压器原线圈匝数n 两个副线圈的匝数分别是n 60匝 匝,两个副线圈的匝数分别是n2=60匝,n3= 600匝 若通过两个副线圈中的电流分别为I 600匝。若通过两个副线圈中的电流分别为I2 1A, 4A,求原线圈中的电流。 =1A,I3=4A,求原线圈中的电流。 解析:对于理想变压器, 解析:对于理想变压器,输入功率与输出 功率相等,则有I 功率相等,则有I1n1=I2n2+I3n3 =(I )/n =(1 60+ 600) I1=(I2n2+I3n3)/n1=(1×60+4×600) 1100= /1100=2.24A

例6、如图所示:理想变压器的交流输入电压 U1=220V , 有 两 组 副 线 圈 , 其 中 n2=36 匝 , 标 有 “6V,9W”、“ 12V,12W”的灯泡分别接在两副线 , 、 , 的灯泡分别接在两副线 圈上均正常发光, 圈上均正常发光,求: (1)原线圈的匝数为 1和另一副线圈的匝数n3. )原线圈的匝数为n 和另一副线圈的匝数 (2)原线圈的电流 1。 )原线圈的电流I
1)由于两灯均正常发光, 解:(1)由于两灯均正常发光, 所以有: 所以有:U2=6V,U3=12V ,

n2 n1 n3

根 据 原 、 副 线 圈 电 压 与 匝 数 的 关 系 , 有 : U1/U2=n1/n2 n1= U1n2/U2=1320匝。 匝 U3/U2=n3/n2,n3= U3n2/U2=72匝。 匝 (2)根据能量守恒,有P入=P出。即I1U1=P2+P3, )根据能量守恒, 则I1=(P2+P3)/U1=0.095A (

〖练习4〗如图所示,理想变压器的原线圈接 练习4 如图所示, 220V交流电压 副线圈有A 两组, 交流电压, 上220V交流电压,副线圈有A、B两组,A组接 4Ω的电阻,B组接规格为“10V24W”的灯泡。 4Ω的电阻, 组接规格为“10V24W 的灯泡。 的电阻 的灯泡 已知A组的线圈匝数为30匝,两端电压为6V, 已知A组的线圈匝数为30匝 两端电压为6V, 30 6V 灯泡正常发光,求原线圈的匝数和电流。 灯泡正常发光,求原线圈的匝数和电流。
U 1n2 220 × 30 n1 = = = 1 1 0 0匝 U2 6

U2 6 P2= = = 9W R 4
I 2 U 2+I3 U 3 9+24 I1= = =0.15A U1 220

2

2

【例7】在绕制变压器时,某学生误将两个线圈绕 在绕制变压器时, 在如图所示变压器左右两臂上, 在如图所示变压器左右两臂上,当通以交变电流 时,每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一 个线圈,另一半通过中部的臂, 个线圈,另一半通过中部的臂,已知线圈的匝数 之比n 1.在不接负载的情况下 在不接负载的情况下, 之比n1:n2=2:1.在不接负载的情况下,则---------( -----( ) 当线圈1输入电压为220V 220V时 线圈2 A.当线圈1输入电压为220V时,线圈2输出电压为 110V 当线圈1输入电压为220V 220V时 线圈2 B.当线圈1输入电压为220V时,线圈2输出电压为 55V 当线圈2输入电压为110V 110V时 线圈1 C.当线圈2输入电压为110V时,线圈1输出电压为 220V 当线圈2输入电压为110V 110V时 线圈1 D.当线圈2输入电压为110V时,线圈1输出电压为 110V

解析:当线圈1 220V的交流电压时, 解析:当线圈1接220V的交流电压时,设穿 的交流电压时 过线圈1的磁通量为Ф 根据题意则穿过线圈2 过线圈1的磁通量为Ф,根据题意则穿过线圈2 的磁通量为Ф 2.设线圈 设线圈1 的匝数分别为2n 2n、 的磁通量为Ф/2.设线圈1、2的匝数分别为2n、 n ,则: 220=2n·ΔФ ΔФ/ U2= ΔФ Δt× ΔФ/ 220=2n ΔФ/Δt U2=n·ΔФ/Δt×1/2 两式相比得U 两式相比得U2=55V 当线圈2接110V的交流电压时,设穿过线圈 当线圈2 110V的交流电压时, 的交流电压时 的磁通量为Ф ,根据题意则穿过线圈1 2的磁通量为Ф’,根据题意则穿过线圈1的磁 通量为Ф / 通量为Ф’/2. 110= ΔФ ΔФ’/ 110=n·ΔФ /Δt ΔФ’/ U1’=2n ΔФ /Δt×1/2 =2n·ΔФ Δt× 两式相比得U = 两式相比得U1’=110V 选BD

〖练习5〗一理想变压器如图所示,在n1两端接 练习5 一理想变压器如图所示, 交流电U 220V, 4400匝 1100匝 交流电U1=220V,n1为4400匝,n2为1100匝。若 要使U 要使U3=U2,求n3。 解析: 匝线圈产生的电动势E 解析:n1匝线圈产生的电动势E1=U1=n1ΔФ1/Δt 匝线圈产生的电动势E n2匝线圈产生的电动势E2=U2=n2ΔФ2/Δt 匝线圈产生的电动势E n3匝线圈产生的电动势E3=U3=n3ΔФ3/Δt 而ΔФ1=ΔФ2=2ΔФ3 所以U 所以U2/n2=U1/n1 U2=n2U1/n1=55V 而U1/n1=2U3/n3(U2=U3) =2n1U3/U1 4400×55/ =2×4400×55/220 2200匝 =2200匝

小结: 小结: 1.变压器的结构和工作原理 1.变压器的结构和工作原理 2.理想变压器的理想化模型及功率传输 2.理想变压器的理想化模型及功率传输 规律 3.理想变压器的变压和变流规律 3.理想变压器的变压和变流规律


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