高中物理《變壓器》教學中的幾個疑問

摘 要:本文結合學生在學習《變壓器》時提出的幾個疑問，從電磁感應原理出發詳細闡述了變壓器的工作過程，定量推導出原、副線圈回路中電流、電壓、功率的關系.

關鍵詞:變壓器 變壓比 勵磁電流

《變壓器》在中學物理教學中，歷來是電磁學的重點內容.這一內容為歷年高考命題的熱點，主要從變壓器的變壓原理、變壓器的變壓比和變流比的運用及定性分析變壓器的原、副線圈的兩端的電壓、電流、功率的相互制約變化關系這幾方面出題考查.由于中學生的數學知識不足，教材中只介紹了變壓器的一般原理，利用理想變壓器通過電磁感應定律推出變壓比，再利用功率相等推出變流比.但對變壓器原、副線圈中的電壓、電流、功率的制約關系;變壓器如何變壓、如何變流，功率又是如何相等的等這些物理過程并沒有作出詳細的介紹.學生在學習中往往感到迷惑會提出各種疑難問題，而這些問題往往就是教師在教學中的疑點.

下面列出幾個教師在教學中碰到的疑點，并進行解析，供大家參考:

問題1:在什么條件下的變壓器才叫理想變壓器?

(1)沒有漏磁，即通過兩繞組每匝線圈的磁通量都一樣;

(2)兩繞組中沒有電阻:從而沒有銅損(即忽略繞組導線中的焦耳損耗);

(3)鐵芯中沒有鐵損(即忽略鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗);

(4)原、副線圈的感抗趨于∞，從而空載電流趨于0.

滿足這些條件的變壓器叫做理想變壓器，它是實際變壓器的抽象，它把實際變壓器中的次要因素忽略掉，而緊緊抓住其主要矛盾.對于電能轉換效率高的小型的變壓器，從使用的角度看，理想變壓器的原理在很多場合已是夠用的.

問題2:變壓器在空載時原線圈中的電流是否為零?

變壓器在空載時即副線圈不接負載時，原線圈中的電流并不為零.如果為零在鐵芯中將沒有交變磁通，副線圈再也沒有感應電動勢了.在空載時，原線圈中的電流稱為勵磁電流，這個電流由加在原線圈上的電壓和原線圈的感抗共同決定，由于線圈的感抗很大，所以勵磁電流趨于零的.但勵磁電流不能為零，它的作用是在鐵芯中產生交變的磁通，這個磁通量稱為主磁通，交變主磁通的存在是變壓器工作的必要條件.

問題3:變壓器能否改變交流電的頻率?

在原線圈中外加的電壓u1=Umsinω，該電壓t按正弦規律變化時鐵芯中的主磁通也按正弦規律變化φ=Φmsinωt變化.由法拉第電磁感應定律可得副線圈中感應電動勢的大小:

e2=N2dΦdt=N2ωtΦmcosωt=Emcosωt

可知在副線圈中得到的是按余弦規律變化的交變電流，其角頻率ω并不發生變化.

變壓器是不能改變交流電頻率的.

問題4:變壓器的變壓比U1/U2是否與交流電的頻率有關?

有學生認為在原線圈中的電壓不變的情況下，交流電的頻率越高，則在線圈中的電流變化越快，在鐵芯中磁通量的變化越快，因而在副線圈中產生的感應電動勢也越大.因此認為變壓器的變壓比除了和匝數有關外還要與交流電的頻率有關，交流電的頻率越大，在副線圈中的感應電動勢就越大.

其實這種看法是不正確的.當頻率變高時，雖然鐵芯中的磁通的變化快了，但由于原線圈的感抗將隨之增大，流過線圈的電流將變小，相應地鐵芯中的磁通也變小了，所以在原、副線圈中每匝線圈的感應電動勢并沒有發生變化.

可以這樣向學生說明:無論原線圈所加的交流電的頻率如何，在鐵芯中每匝線圈的感應電動勢大小相同.線圈的總感應電動勢等于各匝線圈的感應電動勢的疊加，匝數越多總的感應電動勢就越大.

問題5:鐵芯中的兩線圈的U1U2=N1N2這一關系一定成立的嗎?

如圖所示兩線圈繞在變壓器鐵芯的左右兩個臂上，這時U1∶U2還等于N1∶N2嗎?其實這一關系是不成立的.原因是通過1線圈中的磁通不等于通過2線圈的磁通了，此時1、2兩線圈中的每匝線圈的感應電動勢并不相等也就沒有U1U2=N1N2這一關系了.

要向學生說明這一關系的成立是有條件的，必需要求通過兩線圈的磁通相同才有這一關系.

問題6:變壓器中輸出功率和輸入功率誰決定誰?

在空載時原線圈中的勵磁電流i0激發的磁通稱為主磁通Φ.當副線圈接入負載時，副線圈中將產生負載電流i2，由愣次定律可知這一電流激發的磁場是阻礙主磁通的變化的，對主磁通起到一個削弱的作用.這時在原線圈中的電流將增大，變為i1=i0+i1′，增加的電流i1′激發的磁通將起到與副線圈中的電流i2激發的磁通抵消的作用，從而保證主磁通基本不變.

此時由副線圈i2激發的磁場為:B2=μ0N2i2，磁通量為:Φ2=μ0N2i2S.

在原線圈中由增加的電流i1′激發的磁場:B1=μ0N1i1′，

磁通量為:Φ1=μ0N1i1′S.

由于Φ1=Φ2得:μ0N1i′1S=μ0N2i2S

即:N1i′1=N2i2

由于原線圈中的勵磁電流很小i0→0，在原線圈中總電流i1=i0+i1′≈i1.

所以有:N1i1=N2i2

這就是變流比公式.

由變壓比公式和變流比公式得:

U2I2=U1I1

即P2=P1，輸出功率和輸入功率相等.

由以上分析可知，當副線圈中的負載電流i2增大時由于電磁感應作用使原線圈中的電流i1也跟著增大.隨著副線圈中的電流i2增大輸出功率P2增大，而在原線圈中的電流i1跟隨副線圈中的電流增大，相應地原線圈的輸入功率P1也隨輸出功率P2增大.總有輸出功率和輸入功率相等P1=P2.這表明當副線圈回路中消耗了功率P2時，從原線圈回路來看也消耗了等量的功率P1.原線圈回路的功率P1實際上并沒有真正消耗在原線圈中，而是通過電磁感應的耦合，傳遞到副線圈中去了，副線圈回路消耗的功率P2正來源于此.

所以在變壓器中，是由副線圈中的輸出功率決定原線圈中的輸入功率的.

(責任編輯 易志毅)