恒定輸送功率下高低壓輸電定量對(duì)比實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

李亭亭

(張家港市樂余高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215621)

高壓輸電和低壓輸電時(shí)輸電線上的功率損耗對(duì)比分析，是高中物理中一個(gè)較為重要的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)．雖然高壓輸電在生活很常見，但學(xué)生難于在生活中體驗(yàn)到高壓輸電相對(duì)低壓輸電的優(yōu)越性，因此創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理情境，在課堂上做好高低壓輸電的線路損耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深刻體驗(yàn)并進(jìn)行理論分析，是非常有必要的．

1 已有同類作品的不足之處

圖1是高中物理教學(xué)中典型的高壓輸電原理圖，現(xiàn)有的同類教具基本都依據(jù)該電路而制作．筆者檢索分析了一些同類教具和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[1]，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有同類器材普遍存在以下3個(gè)不足之處.

圖1 高壓輸電原理

(1)無(wú)法在保持輸送功率相同的前提下進(jìn)行高低壓輸電定量對(duì)比演示

高中物理課堂教學(xué)中和習(xí)題練習(xí)中，學(xué)生遇見的情景大多是電廠的輸送功率保持一定，但現(xiàn)有的同類實(shí)驗(yàn)器材基本都采用固定負(fù)載，當(dāng)進(jìn)行低壓輸電和高壓輸電切換時(shí)，因?yàn)檎麄€(gè)電路發(fā)生了改變，用戶獲得的電壓和線路上的損耗都隨之變化，這會(huì)造成輸送功率的明顯變化，從而讓定量對(duì)比分析缺乏說服力[2]．

(2)高壓接線部位安全性較低

以圖2為例[3]，該作品和一些同類自制實(shí)驗(yàn)器材一樣，都采用中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的低壓接線裝置，例如鱷魚夾、香蕉插頭、U形夾片接頭、雙刀雙擲開關(guān)等．這些接插件不僅有容易被手觸碰的裸露金屬部分，且其絕緣性較差，只能用于36 V以下的安全電壓．而這些高低壓輸電演示實(shí)驗(yàn)器材中的低壓一般為12 V以下，但其經(jīng)過變壓器升壓后的“高壓”往往在100 V以上，因此采用這些低壓接線裝置，在操作中存在一定的安全問題．

圖2 某款同類教具

(3)器材缺乏生動(dòng)形象的外觀

創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理情境，是中學(xué)物理課堂教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但現(xiàn)有同類實(shí)驗(yàn)器材大都缺乏生動(dòng)的外觀設(shè)計(jì)．以圖3為例，這是中學(xué)實(shí)驗(yàn)室配備器材，但在學(xué)生眼里該器材和生活中見到的高壓輸電線路在外觀上毫無(wú)相似之處，基本不能創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理情境，不利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解．

圖3 實(shí)驗(yàn)室配備器材

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)與制作

2.1 作品外觀結(jié)構(gòu)和電路原理

外觀結(jié)構(gòu)如圖4所示．在一個(gè)木底板上安裝了4個(gè)木盒，內(nèi)部分別放置“模擬電廠”“升壓模塊”“降壓模塊”“可調(diào)負(fù)載(用戶)”．豎立兩根PVC管表示電線桿，輸電線通過電線桿架設(shè)，具有生動(dòng)的生活情景．為了安全，所有的接線都采用了220 V安全標(biāo)準(zhǔn)的電工插頭和插孔．

圖4 作品外觀結(jié)構(gòu)

作品的電路原理如圖5所示．電廠、升壓模塊、降壓模塊采用的變壓器完全相同，都是220 V轉(zhuǎn)6 V功率為5 W的收錄機(jī)用小型降壓變壓器．只要把它輸入和輸出進(jìn)行交換使用，就變成了升壓變壓器．

圖5 作品電路原理

為了接線安全，3個(gè)變壓器的輸入端和輸出端均采用220 V安全標(biāo)準(zhǔn)的插頭和二孔插座連接，如圖6所示．

圖6 采用220 V安全標(biāo)準(zhǔn)的插頭和插座

演示低壓輸電時(shí)，直接把輸電線的兩端插頭插入電廠和可調(diào)負(fù)載(用戶)的插孔即可．演示高壓輸電時(shí)，用兩根雙插頭線分別連接電廠和升壓模塊、降壓模塊和用戶，再用輸電線把升壓模塊和降壓模塊連接即可．

2.2 保持“電廠”恒定輸出功率的設(shè)計(jì)原理

如何保持高壓和低壓輸電切換后電廠的輸出功率(即線路輸送功率)恒定呢？此處電廠用一個(gè)220 V轉(zhuǎn)6 V變壓器來(lái)模擬，該小功率變壓器內(nèi)阻較大，實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)輸出電流從0.1 A 增大到1 A時(shí)，其輸出交流電壓會(huì)從7.0 V 降低到 4.8 V．這個(gè)缺點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)中反而成為了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在進(jìn)行高低壓對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要調(diào)節(jié)負(fù)載電位器使得兩次電廠的輸出電壓相同(對(duì)應(yīng)輸出電流也相同)，就能確保兩次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的模擬電廠輸出功率相同．

圖5中，除了通過4個(gè)數(shù)字電壓表的示數(shù)進(jìn)行定量對(duì)比外，作品還添加了兩個(gè)LED指示燈來(lái)形象定性對(duì)比分析．在模擬電廠和可調(diào)負(fù)載模塊中都加入了白光LED發(fā)光二極管來(lái)模擬室內(nèi)的一盞白熾燈，對(duì)應(yīng)的限流電阻為普通的500 Ω/0.25 W小型電阻．因?yàn)榘坠釲ED指示燈的工作電流很小，不到20 mA，故對(duì)實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)關(guān)鍵電壓的影響可忽略不計(jì)．

在可調(diào)負(fù)載模塊中，采用了一個(gè)型號(hào)為WX-030的3 W/22 Ω的小型線繞電位器作為可調(diào)負(fù)載．通過調(diào)節(jié)其電阻使得高壓輸電和低壓輸電時(shí)電廠的輸出電壓相同，也就確保了高壓輸電和低壓輸電時(shí)電廠的輸出功率相同，如圖7所示．

圖7 可調(diào)負(fù)載模塊

2.3 交流數(shù)字電壓表的使用

為了定量分析，作品采用了4個(gè)數(shù)字顯示交流電壓表頭，能直接監(jiān)測(cè)電廠輸出電壓U1、升壓變壓器輸出電壓U2、降壓變壓器輸入電壓U3、降壓變壓器輸出電壓U4．需要注意的是，此處的4個(gè)數(shù)字電壓表都是四線交流電壓表，和模擬指針電壓表的使用有所不同，其內(nèi)部的電壓采集處理和數(shù)碼管顯示電路，是需要單獨(dú)供電的，其背面的4個(gè)端口的接線如圖8所示．4個(gè)電壓表因?yàn)椴捎?20 V供電，可在4個(gè)模塊盒子底部打個(gè)小孔，把電壓表的供電線(電壓表背面左側(cè)第1、2個(gè)接線端)從小孔穿到木底板的底部，再和電廠模塊的220 V輸入插頭線并聯(lián)．另外還要注意電壓表的量程選擇，電廠和用戶兩處選用20 V量程的數(shù)字電壓表，升壓變壓器的輸出端和降壓變壓器的輸入端應(yīng)選用220 V量程的數(shù)字電壓表．

圖8 交流數(shù)字電壓表

2.4 設(shè)置輸電線模擬電阻

為了讓高低壓輸電對(duì)比時(shí)線路損耗相差較大(實(shí)際生活中因?yàn)檩旊娋€很長(zhǎng)，其電阻也是比較大的)，此處選用47 Ω/2 W的大功率金屬膜電阻，把它串接在一根輸電線上來(lái)作為等效電阻．因?yàn)楦邏狠旊姇r(shí)輸電線上有超過100 V的高電壓，故用了一個(gè)微波爐保險(xiǎn)絲上的易開啟保護(hù)外殼，正好可以把等效電阻封閉在內(nèi)部，如圖9所示．

圖9 輸電線等效電阻用塑料殼罩住

2.5 作品的制作

作品的制作比較簡(jiǎn)單，參考圖4(作品外觀結(jié)構(gòu))和圖5(作品原理)，底板采用木板，4個(gè)模塊的外殼采用木盒，把各模塊對(duì)應(yīng)的部件(變壓器、2孔插座、電壓表、LED指示燈、電位器等)都放置在木盒內(nèi)．在木盒頂端開孔，讓2孔插座的插孔露出．在木盒的前面開孔，讓LED、電壓表、電位器的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸露出．再把各模塊內(nèi)部的電路和電壓表的供電電路連接好，木盒內(nèi)部的高壓部位(電廠220 V輸入端、升壓變壓器輸出端、降壓變壓器輸入端、電壓表供電端)都做好絕緣和隱藏處理，確保無(wú)任何金屬部位裸露．

在底板上豎立兩根PVC管作為電線桿，在其頂端固定一段橫桿，把兩根輸電線分別固定在橫桿的兩端，再把輸電線的兩段分別連接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)二腳插頭．最后給作品進(jìn)行適當(dāng)?shù)男蜗竺阑臀淖謽?biāo)注，作品就完成了．

3 作品的使用及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 演示低壓輸電

參考圖10所示完成接線，把電位器轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)到居中位置，然后通電演示，測(cè)出電廠輸出電壓U1和降壓變壓器輸出電壓U4，并觀察兩端LED發(fā)光情況．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)如表1所示．

圖10 低壓輸電接線

表1 低壓輸電數(shù)據(jù)記錄

3.2 演示高壓輸電

參考圖11所示完成接線，然后通電，可發(fā)現(xiàn)電廠的輸出電壓明顯比低壓輸電要低一些，表明此時(shí)電廠的輸出功率偏大．然后順時(shí)針調(diào)節(jié)電位器使其電阻增大，直至電廠的輸出電壓回復(fù)到7.42V，則此時(shí)電廠的輸出功率(即線路的輸送功率)就和低壓輸電時(shí)相等了．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)如表2所示．

圖11 高壓輸電接線

表2 高壓輸電數(shù)據(jù)記錄

3.3 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

先進(jìn)行定性對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)在保持輸送功率一定的前提下，采用低壓輸電時(shí)用戶端LED的亮度極低，即用戶獲得的功率很低，大部分電能都浪費(fèi)在輸電線上了．而采用高壓輸電時(shí)，用戶端的LED亮度接近電廠端，這表明較遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，必須采用較高的輸電電壓才能把線路損耗控制在較小的程度．

再分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)采用低壓輸電時(shí)，輸電線上的電壓損耗高達(dá)5.49V，而采用高壓輸電時(shí)U2和U3都顯示為181V(數(shù)字電壓表最后1位數(shù)字都是四舍五入取整的，故U2和U3的實(shí)際電壓值在180.5～181.5V之間)，輸電線上的電壓損失基本可以忽略．再比較用戶端電壓，可發(fā)現(xiàn)高壓輸電時(shí)用戶獲得電壓為6.53V，也是遠(yuǎn)高于低壓輸電時(shí)用戶端電壓1.93V．

如果低壓輸電和高壓輸電時(shí)切換后不調(diào)節(jié)負(fù)載電位器(即保持負(fù)載電阻相同)，同樣可以進(jìn)行定性和定量對(duì)比并發(fā)現(xiàn)高壓輸電的優(yōu)越性．