高中物理 第二章 交变电流 第六节 变压器素材 粤教版选修3-2（通用）
第六节 变压器
【思维激活】
1.为什么高压电缆的绝缘子是一节一节的？
提示：为了使个高压电缆与钢塔或支持物之间获得良好绝缘，绝缘子或绝缘套管是一节一节的，这些绝缘子是用陶瓷质制成，比饭碗的瓷质还要细密。它的表面涂了一层釉，使其光滑不易粘污。但长期暴露在空气中，仍会积染灰尘污垢，而这些污垢是会导电的，造成一节一节的形状，就是为了增大漏电沿表面“爬过”的距离，因而增大了绝缘子的电阻，减小了漏电的危险。
2.实际上的变压器在工作中通常会有三种损耗，你知道是哪三种损耗吗？
提示：高压器在工作时，实际上从副线圈输出的功率并不等于从原线圈输入的功率，而要有少量的功率损耗，功率损耗的形式有三种：
（1）铜损：实际交压器的原副线圈都是用绝缘铜导线绕制的，虽然铜的电阻率很小，但铜导线还是有一定电阻的，因此在变压器工作时，线圈中就会有热量产生，导致能量损耗，这部分损耗叫做铜损。
【自主整理】
1.变压器的实际损耗有那些？
（1）同损：实际变压器的原副线圈都是用绝缘同导线绕制的，虽然同的电阻很小，但铜导线还是有一定的电阻，固CX，当变压器工作时线圈中就会有热量产生导致能量损耗，这种损耗叫铜损。
（2）铁损：变压器工作时，原副线圈中有交变电流通过，在铁心中产生
交变磁通量铁心中就会因电磁感应产生涡流。使铁心发热而导致能量损耗，这种在铁心中损失的能量叫铁损。
（3）磁损：变压器工作时，原副线圈产生的交变磁通量绝大数通过铁芯，但也有很少一部分磁通量从线圈匝与匝之间漏掉，即有漏磁，这就使得通过原副线圈的磁通量并不相等，这漏掉的磁通量会在周围空间形成电磁波而损失一部分能量，这种损耗叫磁损。
【高手笔记】
1.理想变压器的规律：
（1）理想变压器原副线圈电压关系：，若有多个副线圈，则有
（2）功率关系：根据能量守恒有P入与P出，I1U1=I2U2或I1U1=I2U2+I3U3+……
（3） 电流关系：电流关系是由功率关系决定的。
定量：I1n1=I2n2或I1n1=I2n2+I3n3+……
定性：因P入随P出的变化而变化，故I1与I2的变化而变化，当I2=0时，I1很小。
变压器高压圈匝数多而导线细，低压圈匝数少而导线粗，是区别高低压线圈的方法。
2.常用变压器类型：
自感变压器，调压变压器，互感器（电压互感器，电流互感器）
【名师解惑】
1.变压器的工作原理，从理论上推导理想变压器的电压、电流关系
（1）电动势关系：由于互感现象，没有漏磁，原、副线圈中具有相同的磁通量的变化率如图2-6-1根据法拉第电磁感定律，原线圈中E1=n1副线圈中E2=n2，所以有
图2-6-1
（2）电压关系：由于不计原、副线圈电阻，因而U1=E1，U2=E2所以有这与实验探究得到的规律相同。
若n1
n2，U1>U2，就是降压变压器。
输出电压U2由输入电压U1和n1、n2共同决定。
（3）电流关系：由于不存在各种能量损失，所以变压器的输出功率等于功率，P1=P2，用U、I代换得：U2I2=U1I2，所以有这就是电流与匝数的关系，原、副线圈中的电流与匝数成反比。
输入功率P1由输出功率P2决定，负载需要多少功率，原线圈端就输入多少功率。
输入电流I1由输出电流I2和n1、n2共同决定，若空载，即I2=0，则I1=0，原线圈中的电流又可理解成是副线圈的反射电流，在匝数比一定的情况下，这两个电流成正比。
2.对于多个副线圈问题：当变压器由一个原线圈和多个副线圈组成时，情况会怎么样呢？
如图2-6-2所示，原线圈的匝数为n1，两个副线圈的匝数分别为n2和n3 ，电压分别为U1、U2、U3，电流分为I1、I2、I3，
图2-6-2
（1）线圈由于绕在同一个铁芯上，穿过每一匝线圈的磁通量的变化率都相等，电压关系仍成立，电压与匝数成正比，即：
U1：U2：U3= n1：n2：n3 。
（2）电流关系应由功率关系进行推导，I1U1=I2U2+I3U3。
2.如图2-6-3所示，原线圈匝数为n，两个副线圈匝数分别为n2和n3，相应电压分别为U1、U2和U3，相应的电流分别为I1、I2、I3，根据理想变压器的工作原理可得
图2-6-3
①
②
由此可得： ③
根据P入=P出得I1U1=I2U2+I3U3 ④
整理得I1n1=I2n2+I3n3 ⑤
以上①②③④⑤式即为多个副线圈的理想变压器的电压与匝数的关系和电流与匝数的关系。
【讲练互动】
例1.如图2-6-4甲、乙所示电路中，当A、B接10V交变电压时，C、D间电压为4V；M、N接10V直流电压时，P、Q间电压也为4V。现把C、D接4V电流，P、Q接4V直流，下面哪个选项可表示A、B间和M、N间的电压（ ）
图2-6-4
A.10V，10V
B.10V，4V
C.4V，10V
D.10V，0V
解析：甲图是一个自耦变压器，当A、B作为输入端，C、D作为输出端时，是一个降压变压器，两边的电压之比等于两边线圈的匝数之比。当C、D作为输入端，A、B作为输出端时，是一个升压变压器，电压比也等于匝数比，所以C、D接入4V交流时，A、B间将得到10V交流。乙图是一个分压电路，当M、N作为输入端时，上下两个电阻上电压跟它们电阻的大小成正比，但是当把电压加在P、Q两端时，电流只经过下面那个电阻，上面的电阻中没有电流， 两端也没有电势差，即M、P两点的电势相等，所以当P、Q接4V直流时，M、N两端的电压也是4V。
顺便指出，如果M、N或P、Q换成交变电压，上述关系仍然成立，因为在交流纯电阻中欧姆定律照样适用。
答案： B
【绿色通道】通过例题分析，让学生明确变压器与分压器的区别，电阻元件对电流只表现出阻碍作用，它不会出现电磁感应现象。
【变式训练一】
1.如图2-6-5所示，理想变压器原副线圈匝数比为n1：n2=1：2，电源电压为220V，A是保险丝（额定电流I0=1A），R为交变电阻，为使原线圈中电流不超过I0，R的阻值最不少于_________欧。
图2-6-5
解析：由等效负载电阻公式得：所以R=880。
答案：880Ω
例2.汽车等交通工具中用电火花点燃汽油混合气，如图2-6-6所示，已知汽车蓄电池电压为12V，变压器匝数之比为1：100，当开关S从闭合后，火花塞上电压为多少？当开关S从闭合到突然断开，可见火花塞提供瞬时高电压，产生电火花，蓄电池提供的是直流电，为什么变压器的副线圈也能得到高电压呢？
图2-6-6
解析：当开关S闭合后，变压器的原线圈中是恒定电流，铁芯中的磁通量不变，副线圈中没有感应电动势，火花塞上电压为零，当开关从闭合到突然断开，铁芯中磁通量突然变小，在副线圈会产生一个瞬时高电压（脉冲高电压可达104V左右），使火花塞产生电火花。
答案：见解析
【黑色陷阱】（1）本题容易出现两种错误观点：
①由公式该结果错误，因为开关闭合后，原、副线圈没有磁通过量的变化，故不产生感应电动势。
②机械记忆某些结论：认为变压器只可能改变交变电流的电压、电流等，而对“蓄电池”这样的直流电压无法变压，但在开关闭合后与断开的瞬间，磁通量变化，从而产生瞬时高压。
【变式训练二】
1.如图2-6-7所示，理想变压器的原、副线圈匝数比为n1:n2=4:1，原线圈回路中的电阻A与副线圈回路的负载电阻B的阻值相等。a、b端加一定交流电压后，两电阻消耗的功率之比PA:PB=________，两电阻两端电压之比UA:UB=________。
图2-6-7
解析：本题主要考查了原副线圈的电流关系和电功率等内容。
因为n1∶n2=4∶1,所以U1∶U2=4∶1 I1∶I2=1∶4
则功率之比==
电压之比==.
答案：
例3.如图2-6-8所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R，开始时，开关S断开，当S接通时以下说法正确的是（ ）
图2-6-8
A.副线圈两端M、N的输出电压减小
B.副线圈输电线等效电阻R上的电压降增大
C.通过灯泡L1的电流减小
D.原线圈中的电流增大
答案：BCD
【变式训练三】
1.如图2-6-9所示，一理想变压器的变压比为3：1，图中四只灯泡完全相同，在L1、L2、L3正常发光的条件下，若断开L4则（ ）
图2-6-9
A．L1、L2、L3变亮
B．L1、L2、L3变暗
C．L1变亮，L2、L3变暗
D．L1变暗，L2、L3亮度不变
答案：D
【体验探究】
【问题】怎样探究理想变压器中的规律？并推导之。
【导思】由于互感现象，没有漏磁，原、副线圈中具有相同的磁通量的变化率
【探究】如图2-6-10根据法拉第电磁感定律，原线圈中E1=n1副线圈中E2=n2，所以有
图2-6-10
（2）电压关系：由于不计原、副线圈电阻，因而U1=E1，U2=E2所以有这与实验探究得到的规律相同。
若n1n2，U1>U2，就是降压变压器。
输出电压U2由输入电压U1和n1、n2共同决定。
（3）电流关系：由于不存在各种能量损失，所以变压器的输出功率等于功率，P1=P2，用U、I代换得：U2I2=U1I2，所以有这就是电流与匝数的关系，原、副线圈中的电流与匝数成反比。
输入功率P1由输出功率P2决定，负载需要多少功率，原线圈端就输入多少功率。
输入电流I1由输出电流I2和n1、n2共同决定，若空载，即I2=0，则I1=0，原线圈中的电流又可理解成是副线圈的反射电流，在匝数比一定的情况下，这两个电流成正比。
