1、4 变 压 器,一、变压器的原理 1.构造:由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成,与 _连接的线圈叫原线圈,与_连接的线圈叫副 线圈。,电源,负载,2.原理:_现象是变压器的工作基础。原线圈中电 流的大小、方向不断变化,在铁芯中激发的_也不 断变化,变化的磁场在副线圈中产生_。 3.作用:改变交变电流的_,不改变交变电流的_ 和_。,互感,磁场,感应电动势,电压,周期,频率,二、电压与匝数的关系 1.理想变压器:没有_的变压器。 2.电压与匝数的关系:原、副线圈的电压之比,等于两 个线圈的_之比,即: = 。,能量损失,匝数,3.两类变压器: (1)副线圈电压比原线圈电压低的变压器叫_变压器。
2、 (2)副线圈电压比原线圈电压高的变压器叫_变压器。 4.应用: (1)远距离输电中,升压和降压后提供给用户。 (2)满足各种不同电压要求的用电设备。,降压,升压,【思考辨析】 (1)我们所用的比较好的变压器就是理想变压器。 ( ) (2)理想变压器的输入功率和输出功率相等。 ( ) (3)输入交变电流的频率越高,输出交变电流的电压就越高。 ( ),(4)变压器能改变所有电流的电压。 ( ) (5)我们可以根据变压器线圈导线的粗细判断其匝数的多少。 ( ),提示:(1)。任何实际的变压器都会有能量损失,所以理想变压器是不存在的。 (2)。理想变压器没有能量损失,所以输入功率和输出功率相等。 (
3、3)。变压器的输出电压由输入电压和原、副线圈的匝数比决定,与交变电流的频率无关。,(4)。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。 (5)。根据变压器的电流与匝数关系,电流大的线圈匝数少,为了减小导线上的电阻发热,要求用较粗的导线绕制,电流小的线圈匝数多,要求用较细的导线绕制,故可利用导线的粗细判断线圈匝数的多少。,【生活链接】 一般在输电系统、大工厂、电气化生产车间里用变压器,我们普通的家庭中也会用到变压器吗?,提示:家庭里用到变压器的地方也很多,如电冰箱、洗衣机、电
4、视机、收音机、手机甚至一个很小的充电器也离不开变压器。,知识点一 理想变压器电压和电流与匝数的关系 探究导入: 如图所示是一个变压器,(1)理想变压器有哪些特点?它实际存在吗? (2)变压器的变压原理是什么?原、副线圈的电压和电流与线圈的匝数有什么关系?,提示:(1)原、副线圈的电阻不计,不产生热量;铁芯内不考虑有感应电流产生;变压器的铁芯无漏磁,它没有能量损失,实际上是不存在理想变压器的。 (2)变压器的工作原理是互感现象;原、副线圈的电压和匝数成正比,原、副线圈的电流(只有一个副线圈时)与线圈的匝数成反比。,【归纳总结】 1.理想变压器的特点: (1)原、副线圈的电阻不计,不产生热量。 (
5、2)变压器的铁芯不漏磁。 (3)在铁芯内产生的感应电流及产生的热量不计。 理想变压器是一个没有能量损失的理想化模型。,2.电动势关系:由于互感现象,且没有漏磁,原、副线圈 中每一匝线圈都具有相同的 ,根据法拉第电磁感应 定律有 3.电压关系:由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈 两端的电压U1=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以 当有n组线圈时,则有:,4.功率关系:对于理想变压器,不考虑能量损失, P入=P出。 5.电流关系:由功率关系,当只有一个副线圈时,I1U1= I2U2,得 当有多个副线圈时,I1U1=I2U2+ I3U3+得I1n1=I2n2+I3n3+,【易错提醒】 (1)变
6、压器只能改变交变电流的电压不能在直流电路中 使用。 (2)原、副线圈的电压、电流发生变化,而频率不变。 (3)当副线圈有多个线圈时,电压关系仍适用,而电流关 系式 不再适用。,【典题通关】 考查角度1 变压器的工作原理 【典例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.穿过副线圈磁通量的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,【正确解答】选C。通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量是按照正弦规律周期性变化的,故A错误;由于是理想变压器,穿过原、副线圈的磁通量在
7、任何时候都相等,故B错误;穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势,符合法拉第电磁感应定律,故C正确;变压器的工作原理是互感现象,原、副线圈并没有直接相连,故D错误。,考查角度2 理想变压器基本规律的应用 【典例2】(多选)如图,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时, 两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是 ( ),A.原、副线圈匝数之比为91 B.原、副线圈匝数之比为19 C.此时a和b的电功率之比为91 D.此时a和b的电功率之比为19,【审题关键】,【正确解答】选A、D。设灯泡的额定电压为U0,两灯均 能正常发光,所以原线圈输出端
8、电压为U1=9U0,副线圈两 端电压为U2=U0,故 A正确,B错误;根 据公式 由于小灯泡两端的电压相 等,所以根据公式P=UI可得两者的电功率之比为19, C错误,D正确。,【误区警示】理想变压器的四点注意 (1)变压器不能改变直流电压。 (2)变压器只能改变交变电流的电压和电流,不能改变交变电流的频率。 (3)理想变压器本身不消耗能量。 (4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。,【过关训练】 1.(多选)理想变压器正常工作时,在其两侧的原、副线圈中一定相同的物理量是 ( ) A.交流电的频率 B.输入、输出功率 C.磁通量的变化率 D.电压的最大值,【解析】选A、B
9、、C。理想变压器原、副线圈中的频率相同,磁通量的变化率相同,电压不一定相同,功率相同。故A、B、C正确,D错误。,2. 如图所示, 接在家庭电路上的理想降压变压 器给小灯泡L供电,如果将原、 副线圈减少相同匝数,其他条件不变,则 ( ) A.小灯泡变亮 B.小灯泡变暗 C.原、副线圈两端电压的比值不变 D.通过原、副线圈电流的比值不变,【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析: (1)变压器电压与匝数关系: (2)变压器电流与匝数关系:,【解析】选B。根据变压器电压与匝数关系: 因 为是降压变压器,则n1n2,当原、副线圈减少相同匝数 时,由数学知识可知 变大,则U2减小,故灯泡变暗,选 项
10、A、C错误,B正确;根据 可知通过原、副线圈电 流的比值变小,选项D错误。故选B。,【补偿训练】 1.图甲为一理想变压器,负载电路中R=5 ,若原线圈两端输入电压u是如图乙所示的正弦式交流电,电压表示数为10 V,则 ( ),A.输入电压u=100 sin50t V B.电流表示数为0.2 A C.变压器原、副线圈匝数比为51 D.若输入电压稳定,R阻值减小,则输入电功率减小,【解析】选B。由图乙可知输入的交变电流的周期是 0.02 s,所以角速度为100,故选项A错误;输入交变电 流的电压峰值是100 V,则有效值是100 V,变压器 原、副线圈匝数比为101,选项C错误;由I2= , U1
11、I1=U2I2得I2=2 A,I1=0.2 A,选项B正确;若输入电压 稳定,R阻值减小,则通过R的电流增大,即输出功率增 大,输入功率也一定增大,选项D错误。,2.如图所示,一理想变压器的原线圈匝数为n1=1 100匝,接电压U1=220 V的交流电,副线圈接“20 V 10 W”的灯泡,灯泡正常发光,可知 ( ),A.副线圈的匝数n2=200匝 B.副线圈中的电流I2=0.5 A C.原线圈中的输入功率为10 W D.原线圈中的电流I1=0.1 A,【解析】选B、C。本题考查变压器的知识。意在考查 学生对变压器知识的理解。由于理想变压器的电压比 等于匝数比,副线圈匝数n2=100匝,A错误
12、;理想变压器 的原、副线圈的功率相等。所以原线圈的输入功率为 10 W,C正确;由功率P=UI可得副线圈中的电流I2=0.5 A, 原线圈中的电流I1= I20.045 A,B正确,D错误。,知识点二 理想变压的制约关系和动态分析 探究导入: 在一个原、副线圈匝数确定的变压器中 (1)理想变压器的电压、电流和功率输入与输出之间存在怎样的制约关系? (2)如何分析变压器的动态变化情况?,提示:(1)理想变压器的输入电压决定着输出电压,输出功率和电流决定着输入功率和电流。 (2)把副线圈当作输出电路的电源,根据闭合电路欧姆定律分析。或根据原、副线圈的电压、电流与线圈的匝数关系分析。,【归纳总结】
13、1.电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比( )一定 时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2=,2.电流制约:当变压器原、副线圈的匝数比( )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= 3.功率制约: (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)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RI2P2 P1I1。 (2)负载电阻不变,分析各物理量随匝数比的变
14、化而变 化的情况,进行动态分析的顺序是n1、n2U2I2P2 P1I1。,【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作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。,【典题通关】 考查角度1 制约关系的应用 【典例1】一含有 理想变压器的电路如图所示,图中电 阻R1、R2和R3的阻值分别为3 、 1 和4 , 为理想交流电流表,U为正弦交流电压,源,输出电压的有效值恒定。当开关S断开时,电流表的示数为I;当S闭合时,电流表的示数为4I。
15、该变压器原、副线圈匝数比为 ( ) A.2 B.3 C.4 D.5,【正确解答】选B。设变压器原、副线圈匝数分别为 n1、n2,当开关S断开时,电流表的示数为I,副线圈电 流为 I,因此有(U-IR1)I=( )2I2(R2+R3);当S闭 合时,电流表的示数为4I,同理有(U-4IR1)4I= ( )2(4I)2R2,联立解得原、副线圈匝数比为3,故 选B。,考查角度2 理想变压器电路的动态分析 【典例2】如图所示,理想变压器原线圈接在交流电源上,图中各电表均为理想电表。下列说法正确的是 ( ),A.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,R1消耗的功率变大 B.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动
16、时,电压表V示数变大 C.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电流表A1示数变大 D.若闭合开关S,则电流表A1示数变大,A2示数变大,【正确解答】选B。当滑动变阻器的滑动触头P向上滑 动时,R的阻值变大,变压器的次级线圈电压不变,则次 级电流减小,则R1消耗的功率及两端电压均变小,电压表 的示数等于变压器次级电压减去R1两端的电压,故电压 表的示数变大,选项A错误,B正确;由于当滑动变阻器的 滑动触头P向上滑动时,次级电流减小,故初级电流也,减小,电流表A1示数变小,选项C错误;若闭合开关S,则变压器的次级电阻减小,次级电流变大,R1的电压变大,则电压表V示数减小,则R2两端电压减小,电流表
17、A2读数减小,次级电流变大,则初级电流变大,则电流表A1示数变大,选项D错误。,【规律方法】理想变压器动态问题的处理方法 (1)抓住三个决定原则:输入电压U1决定输出电压U2;输出电流I2决定输入电流I1;输出功率P2决定输入功率P1。 (2)把副线圈当作电源,研究副线圈电路电阻变化。,(3)根据闭合电路的欧姆定律,判定副线圈电流的变化、功率的变化。 (4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。,【过关训练】 1.(多选)(2018哈尔滨高二检测) 如图是街头变压器给用户供电的示 意图,将此变压器视为理想变压器, 输入端接入的电压u=2 200 si
18、n100t(V),输出电压 通过输电线输送给用户,输电线的电阻用R表示,理想变 压器原、副线圈的匝数比为101,题中电表均为理想 交流表,则下列说法正确的是 ( ),A.V2表的读数为220 V B.A1表的示数随A2表的示数的增大而增大 C.副线圈中交流电的频率为50Hz D.用户端闭合开关S,则V2表读数不变,A1表读数变大,变压器的输入功率增大,【解析】选B、C、D。由电压表达式公式知原线圈电压 有效值为2 200 V,电压与匝数成正比,所以V2表的读数 为220 V,A错误;电流与匝数成反比,所以A1表的示数随 A2表的示数的增大而增大,B正确;由表达式知角速度为 100 rad/s,
19、所以频率为f= =50Hz,C正确;用户端 闭合开关S,则副线圈的电阻减小,电压由输入电压和匝 数比决定,所以V2表读数不变,A1表和A2读数都变大,变 压器的输入功率等于输出功率都增大,D正确。,2.(多选)如图所示,理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表,副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节,在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R,P为滑动变阻器的滑动触头,在原线圈上加一电压为U的正弦交流电,则 ( ),A.保持Q的位置不动,将P向上滑动时,电流表读数变大 B.保持Q的位置不动,将P向上滑动时,电流表读数变小 C.保持P的位置不动,将Q向上滑动时,电流表读数变大 D.保持P的位置不动
20、,将Q向上滑动时,电流表读数变小,【解析】选B、C。保持Q的位置不动,将P向上滑动时,滑动变阻器R的有效电阻变大,输出电压不变,则输出电流减少,电流表示数变小,故选项A错误,B正确;保持P的位置不动,将Q向上滑动时,输出电压变大,电流表示数变大,故选项C正确,D错误。,【补偿训练】 如图所示,理想变压器的原、副 线圈的匝数比n1n2=21,原线 圈接正弦式交流电,副线圈接电 动机,电动机线圈电阻为R,当输入端接通电源后,电流表读数为I,电动机带动一质量为m的重物以速度v匀速上升,若电动机因摩擦造成的能量损失不计,则图中电压表的读数为( ),【解析】选A。电流与匝数成反比,副线圈的电流为2I,
21、输入功率等于副线圈消耗的功率:P=(2I)2R+mgv=UI,所 以电压表的读数U=4IR+ 。故选A。,【拓展例题】考查内容:电流互感器和电压互感器 【典例】如图所示,L1和L2是高压输电线,甲、乙是两只互感器,若已知n1n2=1 0001,n3n4=1100,图中电压表示数为220 V,电流表示数为10 A,则高压输电线的送电功率为 ( ),A.2.2103 W B.2.210-2 W C.2.2108 W D.2.2104 W,【正确解答】选C。由电流互感器知高压输电线中电流I=1 000 A,由电压互感器知高压U=220103 V,则高压输电线功率P=UI=2.2108 W。,物理模型
22、构建理想变压器模型 1.建模背景:原、副线圈的电阻不计,铁芯不漏磁,铁芯内产生的感应电流及热量不计。 2.模型特点:严格遵守P入=P出,【案例示范】如图所示,一理想变压器原、副线圈的匝数比为12;副线圈电路中接有灯泡,灯泡的额定电压为220 V,额定功率为22 W;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=110 V,I=0.2A B.U=110 V,I=0.05A C.U=110 V,I=0.2A D.U=110 V,I=0.2 A,【解析】选A。由于灯泡正常发光,故副线圈的电压为 220 V,由于原、副线圈的匝数
23、比为12,故原线圈的电 压为110 V,所以电压表的示数为110 V,原、副线圈的 功率相等,故电流表的示数为I= =0.2A,故A正确。,【类题训练】(多选)在如图所示的电路中,理想变压器的初级线圈加一个固定的交变电压,开关S处于断开状态,那么下列情况正确的是 ( ),A.当滑动触头P上移时,灯泡L变亮 B.当滑动触头P上移时,电流表A1的读数变大 C.当滑动触头P上移时,电压表V的读数变大 D.当闭合开关S时,电流表A1的读数变大,A2的读数不变,【解析】选C、D。当滑动触头P上移时,接入电路的电阻变大,因负载电压不变,故流过副线圈的电流I2减小,灯泡变暗,同时,U1I1=U2I2,故I1
24、将随着I2的减小而减小,即电流表A1的读数变小,所以A、B均错;电压表V的读数等于U2-I2RL变大,C正确;当闭合S时,负载增大,消耗的电功率增大,P=U1I1,所以电流表A1的读数应变大,但副线圈两端电压仍不变,电流表A2的读数应不变,D正确。,【补偿训练】 (2018廊坊高二检测)如图是街头 变压器通过降压给用户供电的示意 图。变压器的输入电压是市区电网 的电压,假设负载变化时输入电压保持不变。输出电压通过输电线输送给用户,两条输电线的总电阻用R0表示,变阻器R代表用户用电器的总电阻,当用电器增加时,相当于R的值减小。忽略变压器上的能量损失,不计电压表、电流表的内阻对电路的影响。当用户的
25、用电器增加时,下列说法正确的是 ( ),A.电压表读数增大,电流表读数增大 B.电压表读数减小,电流表读数增大 C.电压表读数不变,电流表读数增大 D.电压表读数不变,电流表读数减小,【解析】选C。理想变压器的输出电压是由输入电压和 匝数比决定的,由于输入电压和匝数比不变,所以副线 圈输出的电压也不变,所以V的示数不变;当用电器增加 时,相当于R的值减小,电路中的总的电阻减小,所以电 流要变大,即副线圈中的电流示数变大,副线圈消耗的 功率增大;由于变压器的输入功率和输出功率相等,由于副线圈的功率变大了,所以原线圈的输入功率也要变大,因为输入的电压不变,所以输入的电流要变大。故C正确,A、B、D错误。,
