變壓器探究實驗的創新設計

梁振華

(德清縣第一中學 浙江 湖州 313200)

變壓器作為電磁感應規律應用的裝置被廣泛運用于生產生活中，因此以變壓器為載體的相關問題常常用來考查學生運用電磁感應規律進行建模、探究、論證等物理學科核心素養．“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”演示實驗為學生提供了真實的科學探究情景，教師可以通過實驗引導學生開展科學探究、模型建立、科學論證．但是由于學校實驗室提供的教學用可拆式變壓器不是理想變壓器，存在漏磁等能量損失較大的問題，實驗結果電壓比不等于匝數比，不能得到與理論分析相符合的結果．因此很多教師會選擇少做或不做變壓器相關實驗，以理論分析和題目講解為主．學生缺乏親身經歷科學探究與論證的過程，只會對理想變壓器問題運用相關規律解決計算問題，而對于非理想變壓器問題往往會盲目地套用公式計算，忽視了非理想變壓器由于各種原因而產生的電能損耗，沒有分析、論證問題的情景是否滿足理想變壓器條件．

筆者對課本實驗進行了改進，用兩種不同類型的變壓器，在課堂教學中引導學生探究直線變壓器原副線圈電壓與匝數的關系，提出變壓器的理想化條件，利用環形變壓器探究理想變壓器原副線圈電壓與匝數的關系．

1 實驗裝置

本實驗中采用了能量損失很小的高導磁率鐵芯的環形變壓器模擬演示理想變壓器原副線圈電壓與匝數的關系，同時還自制了直線變壓器探究非理想變壓器原副線圈電壓與匝數的關系．如圖1所示，整個實驗裝置一體化設計，提高了實驗的便捷性．

圖1 自制變壓器探究實驗裝置

2 裝置特點

2.1 環形變壓器

環形變壓器鐵芯采用冷軋晶粒取向的硅鋼片整帶沿著“取向”方向卷制而成，沒有接縫，磁路封閉，因此其漏磁小；環形鐵芯磁通密度高，繞組所需匝數少，線圈內阻低，大大降低了鐵損、銅損．

在本實驗中定制了使用優質鐵芯、較粗銅線繞制的環形變壓器，如圖2所示，可以盡可能地減少漏磁、鐵損、銅損而帶來的電能損失．環形變壓器原線圈匝數為200匝和400匝，副線圈匝數分別為50匝、100匝、200匝．

圖2 環形變壓器

2.2 直線變壓器

用長條形硅鋼片疊合成柱形鐵芯，在兩個由3D打印的線框骨架上繞上一定匝數的漆包銅線作為變壓器的原、副線圈，如圖3所示，其中原線圈匝數800匝，副線圈匝數200匝．原、副線圈套在鐵芯上后可左右移動，可以探究原、副線圈電壓之比與原、副線圈之間距離的關系，觀察漏磁對變壓器工作效率的影響．

圖3 直線變壓器

2.3 數字顯示交流電壓表

為了使原、副線圈兩端電壓讀數更為方便、測量更為精確，本實驗裝置采用了高精度單相交流數字電壓表(圖4)，精度等級為0.5級．課堂演示時教師和學生可以清晰、直觀地觀察電壓表示數．

圖4 數顯交流電壓表

2.4 接插件方式連接

導線的連接采用了香蕉頭接插件連接方式，可以使實驗中的連接導線過程更為便捷．

3 實驗過程與數據處理

將裝置連接220 V交流電源，打開開關，使交流電壓表工作；將學生電源交流輸出連接至實驗裝置原線圈兩端，兩個交流電壓表分別連接變壓器相應的原、副線圈兩端，通過調節學生電源輸出電壓改變原線圈兩端電壓．

3.1 探究直線變壓器原線圈和副線圈電壓與匝數的關系

當交流電壓表連接至直線變壓器原、副線圈時，可探究直線變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系．

(1)將直線變壓器上的兩個原、副線圈相互緊貼，改變原線圈兩端電壓，實驗數據如表1所示．

表1 直線變壓器原、副線圈距離d=0 匝數比n1∶n2=4

通過對數據的計算后發現，直線變壓器原、副線圈電壓比與匝數比不相等，而且相差較大．

(2)改變直線變壓器原、副線圈之間的距離，保持原線圈電壓不變，實驗數據如表2所示．

表2 改變直線變壓器原、副線圈距離 匝數比n1:n2=4

直線變壓器原、副線圈電壓比隨著線圈之間距離的增大而增大，可引導學生分析直線變壓器由于漏磁，能量損失較大，電壓比大于匝數比，并且相差較大．

3.2 探究理想變壓器原線圈和副線圈電壓與匝數的關系

環形變壓器使用閉合鐵芯極大地減少了漏磁現象，可用來探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系．表3～表5是利用環形變壓器探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數關系的數據記錄與處理．

表3 原線圈匝數n1=400，副線圈匝數n2=200，匝數比n1∶n2=2時的實驗數據

表4 原線圈匝數n1=400，副線圈匝數n2=50，匝數比 n1∶n2=8時的實驗數據

表5 原線圈匝數n1=200，副線圈匝數n2=50，匝數比n1∶n2=4時的實驗數據

通過對實驗數據的分析，可以發現利用環形變壓器探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系時，電壓比近似等于原、副線圈匝數比，并且誤差較小．

4 結束語

通過直線變壓器探究非理想變壓器、環形變壓器探究理想變壓器的原、副線圈匝數比與電壓比之間的關系，讓學生觀察理想變壓器與非理想變壓器的實驗現象、親身經歷科學探究與論證的過程，培養學生物理學科核心素養．