走出變壓器與直流電關(guān)系的誤區(qū)

霍金勝

(天水市第二中學 甘肅 天水 741020)

變壓器與直流電的關(guān)系是中學物理課本習題中的必修題．人教版新課標《物理·選修1-1》第三章“變壓器”一節(jié)中，課本習題中也有一道變壓器與直流電關(guān)系的題目．

原題：為什么在變壓器一個線圈中接入交流電源，就會在另一個線圈中產(chǎn)生電動勢？變壓器能夠改變直流電壓嗎？為什么？

一般教師的解答是，如果在變壓器原線圈上接上交流電源，交流電大小和方向都在周期性變化，因此原線圈中電流大小與方向也發(fā)生變化，在鐵芯中產(chǎn)生了變化的磁場，并產(chǎn)生了變化的磁通量，因為通過原副線圈磁通量相同，所以穿過副線圈的磁通量也發(fā)生變化．根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在副線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在用電器中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以使用變壓器能改變交流電壓．

如果在變壓器原線圈中接上恒定直流電源，那么通過原線圈是不變的電流，在鐵芯中產(chǎn)生的是不變磁場，鐵芯中的磁通量也是不變的，因此不能在副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，用電器中不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以不能使用變壓器改變直流電壓．

這樣的解答存在著很多的誤區(qū)．

誤區(qū)一：變壓器接上電動勢恒定的直流電源后，通過原線圈電流是恒定電流．

純電阻電路適用于歐姆定律，即通過電阻的電流與電阻兩端電壓成正比，可是變壓器是一個線圈，當通過線圈電流發(fā)生改變時，線圈會產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的變化，因此通過線圈的電流并不與電壓成正比．

設(shè)有一個變壓器，為了分析簡化不妨設(shè)副線圈開路(由此得出的結(jié)論與副線圈接上用電器后是相似的，并不影響分析結(jié)果)．當在原線圈接上一個電動勢恒定的直流電源后，線圈自感電動勢對電流起阻礙作用，因此原線圈的電流不能立即增大，而是逐漸增大．由于原線圈電流逐漸增大，鐵芯中的磁通量也逐漸增大，在副線圈就會產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢．因此，雖然變壓器原線圈接上電動勢不變的直流電，但通過線圈的電流并不是恒定電流，而是逐漸增大的電流．

誤區(qū)二：不能使用變壓器改變直流電的原因是原線圈中磁通量不變.

根據(jù)電工學知識可知：變壓器線圈中通過電流增大時，鐵芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度也同時增大．但鐵芯中的磁感應(yīng)強度有一個飽和值，就是當鐵芯中磁感應(yīng)強度增大到一定值以后就不再增大．當鐵芯飽和后，鐵芯中磁感應(yīng)強度不變，鐵芯中磁通量也不變，線圈不能產(chǎn)生自感電動勢，線圈對電流沒有阻礙作用，線圈就相當于一段導(dǎo)線，此時線圈中電流

式中E是電源的電動勢，R是線圈電阻，r是電源內(nèi)阻．由于R與r很小，所以電路中電流會很大以至于損壞電路．

因此，不能使用變壓器改變直流電壓的原因是由于直流電源電動勢方向不變，線圈中電流持續(xù)增大，鐵芯達到飽和，電路中電流過大而損壞電路．

誤區(qū)三：永遠都不能使用變壓器改變直流電電壓.

在以上分析中，變壓器接上直流電源以后鐵芯會飽和，然后因電路電流過大損壞電路設(shè)備．因而把直流電直接接在變壓器上不能正常工作．但可以在電路中增加一些輔助裝置，讓線圈周期性地放電，使鐵芯中的電流變?yōu)榱悖F芯中的磁感應(yīng)強度也恢復(fù)到零，變壓器就可以持續(xù)改變直流電電壓．

中學物理實驗室常用的感應(yīng)圈就是用這個原理制成的．圖1就是實驗室常用的J1206型感應(yīng)圈實物圖與原理圖．

如圖1(b)所示，感應(yīng)圈接上低壓直流電源以后，由于斷續(xù)器的作用，開關(guān)S周期性地閉合與斷開．在開關(guān)S閉合時，直流電源對原線圈充電，由于自感作用通過原線圈的電流逐漸增大，當原線圈鐵芯還末達到飽和時，由于斷續(xù)器作用開關(guān)S又斷開，原線圈的電流強度從大很快減小到零，鐵芯中的磁通量也從大很快減小到零，由于磁通量變化很快，在副線圈中產(chǎn)生了很大的感應(yīng)電動勢，一般能達到104V的數(shù)量級．這樣高的電壓會將副線圈空氣擊穿，產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象．放電使鐵芯中的電流減小到零，同時鐵芯中的磁感應(yīng)強度也減小到零．然后開關(guān)S又接通，又開始下一個周期，如此反復(fù)循環(huán)，感應(yīng)圈就能持續(xù)改變直流電電壓．

圖1

因此,只要讓變壓器周期性地放電，讓鐵芯中磁感應(yīng)強度減小，那么可以使用變壓器改變直流電電壓．但這樣改變電壓的方式損失大量的電能，大功率輸電中不宜采用.

綜上所述，課本原題正確解答如下：

變壓器為什么不能改變直流電壓？因為當在變壓器原線圈接上直流電源以后，由于變壓器線圈自感作用，通過原線圈的電流逐漸增大，當電流增大過大時，就會損壞電路．因此不能使用變壓器持續(xù)改變直流電電壓．

由于中學物理沒有學習鐵芯中的磁感應(yīng)強度飽和，因此不必用鐵芯磁感應(yīng)強度飽和來解釋．

如果變壓器接上交流電源，通過線圈的電流逐漸增大，當交流電源的方向改變以后，通過線圈的電流又會減小，這樣線圈電流強度不會過大而損壞電路，而且由于線圈中的電流周期性增大減小，所以鐵芯中產(chǎn)生的磁通量也周期性的變化，就會在副線圈中產(chǎn)生感覺電動勢，如果副線圈接上用電器，在用電器中就會產(chǎn)生電流．所以,使用變壓器能持續(xù)改變交流電電壓．