高中物理 5.4《变压器》课件2 新人教选修32.ppt

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1、第五章第五章交变电流交变电流第四节变压器2021/8/11 星期三1教教 学学 目目 标标（一）知识与技能（一）知识与技能1知道变压器的构造，了解变压器的工作原理。2理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题。（二）过程与方法（二）过程与方法在探究变压比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化模型分析问题、解决问题的能力。（三）情感、态度与价值观（三）情感、态度与价值观1使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。2培养学生实事求是的科学态度。教学重点：教学重点：探究变压比和匝数比的关系。教学难点：教学难点：探究变压比和匝数比的关系。教学方法：教学方法：实验探究法、阅读法、讲

2、解法。教学手段：教学手段：学生电源、可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡2021/8/11 星期三2变压器2021/8/11 星期三3照明灯电压照明灯电压-220伏伏机床上照明灯机床上照明灯-36伏伏半导体收音机电源电压不超过半导体收音机电源电压不超过10伏伏大型发电机交流电压大型发电机交流电压-几万伏几万伏远距离输电远距离输电-几十万伏几十万伏电视机显像管却需要电视机显像管却需要10000V以上电压以上电压交流便于改变电压，以适应各种不同的需要交流便于改变电压，以适应各种不同的需要变压器就是改变变压器就是改变交流交流电压的设备电压的设备2021/8/11 星期三4几种常见的变压器2021

3、/8/11 星期三5一、变压器的构造一、变压器的构造1.1.示意图示意图 U1U2 n1n2原原线线圈圈副副线线圈圈铁铁芯芯2.2.构造：构造：（1 1）闭合铁芯）闭合铁芯 （绝缘（绝缘硅钢片叠合而成）硅钢片叠合而成）（2 2）原线圈（初级线）原线圈（初级线圈）：其匝数用圈）：其匝数用n n1 1表示表示（3 3）副线圈（次级线）副线圈（次级线圈）：其匝数用圈）：其匝数用n n2 2表示表示（4 4）输入电压：）输入电压：U U1 1;输出电压：输出电压：U U2 2.2021/8/11 星期三63.3.电路图中符号电路图中符号n1n2问题：问题：变压器副线圈和原线圈电路是否相通？变压器副线圈

4、和原线圈电路是否相通？变压器原副线圈不相通，那么在给原线变压器原副线圈不相通，那么在给原线圈接圈接交变电压交变电压U U1 1后，副线圈电压后，副线圈电压U U2 2是怎是怎样产生的？样产生的？铁芯与线圈互相绝缘铁芯与线圈互相绝缘 U1U2 n1n22021/8/11 星期三7二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理-互感现象互感现象 变压器通过闭合铁变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实芯，利用互感现象实现了电能（现了电能（U U1 1、I I1 1）到磁场能（变化的磁到磁场能（变化的磁场）再到电能（场）再到电能（U U2 2、I I2 2）转化。）转化。原原线线圈圈副副线线圈圈铁芯铁芯 U1U

5、2n1n2互感现象：在原副线圈中由于有互感现象：在原副线圈中由于有交变电交变电流流而发生的互相感应现象。而发生的互相感应现象。若给原线圈接若给原线圈接直流电压，直流电压，U副线圈电压副线圈电压U U2 2？2021/8/11 星期三8闭合铁芯实现了电能闭合铁芯实现了电能-磁场能磁场能-电能的转换，电能的转换，由于原副线圈中的电流共同产生的磁通量绝由于原副线圈中的电流共同产生的磁通量绝大部分通过铁芯，使能量在转换过程中损失大部分通过铁芯，使能量在转换过程中损失很小，为了便于研究，物理学中引入了一种很小，为了便于研究，物理学中引入了一种理想化模型理想化模型-理想变压器理想变压器。下面我们定下面我们

6、定量分析理想量分析理想变压器的变变压器的变压规律。压规律。无磁损无磁损无铜损无铜损无铁损无铁损理理想想变变压压器器2021/8/11 星期三9实验结论：原副线圈两端电压之比等于这两个线圈的匝数比。次数次数12345U1U2V1V2研究原副线圈两端电压关系的实验研究原副线圈两端电压关系的实验2021/8/11 星期三10三、理想变压器的变压规律三、理想变压器的变压规律I1I2n1n2U1U2原、副线圈中产生的感应原、副线圈中产生的感应电动势分别是：电动势分别是：E E1 1=n=n1 1/t tE E2 2=n=n2 2/t tE1 1/n/n1 1=E2 2/n/n2 2原线圈回路有：原线圈回

7、路有：U U1 1 E E1 1=I=I1 1r r1 1 0 0则则U U1 1=E=E1 1副线圈回路有：副线圈回路有：E E2 2=U=U2 2 +I+I2 2r r2 2 UU2 2则则U U2 2=E=E2 2若不考虑原副线圈的内阻，则若不考虑原副线圈的内阻，则U U1 1=E=E1 1；U U2 2=E=E2 2则：则：U U1 1/U/U2 2=n=n1 1/n/n2 22021/8/11 星期三11理想变压器原副线圈的理想变压器原副线圈的端电压之比端电压之比等于等于这两个线圈的这两个线圈的匝数之比匝数之比n n2 2 n n1 1 U U2 2U U1 1 -升压变压器升压变压

8、器n n2 2 n n1 1 U U2 2 U U1 1 -降压变压器降压变压器U U1 1/U/U2 2=n=n1 1/n/n2 22021/8/11 星期三12四、理想变压器的变流规律四、理想变压器的变流规律问题：问题：原副线圈的电流可能满足何规律？原副线圈的电流可能满足何规律？1.1.理想变压器输出功率应等于输入功率理想变压器输出功率应等于输入功率即即:U U1 1I I1 1=U=U2 2I I2 2I I 1 1/I 2 2=U U2 2/U U1 1=n=n2 2/n n1 1P出出=P入入2021/8/11 星期三132.2.理想变压器原副线圈的电流跟它们的匝理想变压器原副线圈的

9、电流跟它们的匝数成反比数成反比I I 1 1/I 2 2=n=n2 2/n n1 1变压器工作时，高压线圈匝数多而通过的变压器工作时，高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当用较粗的导匝数少而通过的电流大，应当用较粗的导线绕制。线绕制。这也是判定高压线圈和低压线这也是判定高压线圈和低压线圈的一种方法。圈的一种方法。此公式只适用于一个副线圈的变压器2021/8/11 星期三14U U1 1I I1 1I I2 2n n1 1n n2 2U U2 2R R输入输出电压、电流、功率大小之间的因输入输出电压、电流、功率大小

10、之间的因果关系果关系 1.输入功率输入功率P1由输出功率由输出功率P2决定；决定；P1P22.U1由电源决定；由电源决定；3.U2由由U1和匝数比决定；和匝数比决定；U2n2/n1U14.I2由由U2和负载决定；和负载决定；I2U2R5.I1由由I2和匝数比决定；和匝数比决定；I1n2/n1I22021/8/11 星期三15【例【例1 1】理想变压器原、副线圈的匝数比】理想变压器原、副线圈的匝数比n n1 1:n:n2 24 4：1 1，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，图中电流表运动切割磁感线时，图中电流表A A1 1的示数的示数12mA

11、12mA，则电流表，则电流表A A2 2的示数为的示数为（）A A3mA B3mA B0 C0 C48mA D48mA D与负载与负载R R的值有关的值有关解析：变压器只能工作于交流电路，不能工作在恒定电流和恒定电压的电路，导体棒向左匀速切割磁感线时，在线圈n1中通过的是恒定电流，不能引起穿过线圈n2的磁通量变化，在副线圈n2上无感应电动势出现，所以A2中无电流通过。2021/8/11 星期三16【例【例2 2】一理想变压器，其原线圈】一理想变压器，其原线圈22002200匝，副匝，副线圈线圈440440匝，并接一个匝，并接一个100100的负载电阻，如图的负载电阻，如图所示。所示。（1 1）

12、当原线圈接在）当原线圈接在44V44V直流电源电源上时，电直流电源电源上时，电压表示数为压表示数为_V,_V,电流表示数为电流表示数为_A._A.（2 2）当原线圈接在）当原线圈接在220V220V交变电源上时，电压交变电源上时，电压表示数为表示数为_V_V，电流表示数为，电流表示数为_A,_A,此时输入功率为此时输入功率为_W._W.00440.4419.362021/8/11 星期三17U U1 1U U2 2=n n1 1n n2 22202203636=11001100n n2 2n n2 2=180180180U U2 2P P2 2I I2 2=n n2 2n n1 1I I1 1

13、I I2 218018011601160110011003636=n n2 2 P P2 2=n n1 1 U U2 2=3 3A A解：解：所以：所以：3 A练习练习1.1.一理想变压器，原线圈匝数一理想变压器，原线圈匝数n n1 1=1100=1100，接在电压接在电压220V220V的交流电源上，当它对的交流电源上，当它对11 11只并只并联的联的“36V“36V，60w”60w”的灯泡供电时，灯泡正的灯泡供电时，灯泡正常发光。由此可知副线圈的匝数常发光。由此可知副线圈的匝数n n2 2=_=_，通过原线圈的电流通过原线圈的电流 I I1 1=_=_。2021/8/11 星期三18练练习

14、习2、如如图图所所示示，一一理理想想变变压压器器原原、副副线线圈圈的的匝匝数数比比为为n1：n2=3：1，有有四四只只相相同同的的灯灯泡泡连连入入电电路路中中，若若灯灯泡泡L2、L3、L4均均能能正正常常发发光光，则则灯灯泡泡L1（）A、也能正常发光、也能正常发光B、较另三个灯暗些、较另三个灯暗些C、将会烧坏、将会烧坏D、不能确定、不能确定1n2n1L3L4L1U1L22021/8/11 星期三19例例3.3.钳形电流表的外形和结构如图（钳形电流表的外形和结构如图（a a）所示。图）所示。图（a a）中电流表的读数为）中电流表的读数为1.2A 1.2A。图（。图（b b）中用同一电）中用同一电

15、缆线绕了缆线绕了3 3匝，则匝，则A.A.这种电流表能测直流电流，图（这种电流表能测直流电流，图（b b）的读数为）的读数为2.4A2.4AB.B.这种电流表能测交流电流，图（这种电流表能测交流电流，图（b b）的读数为）的读数为0.4A0.4AC.C.这种电流表能测交流电流，图（这种电流表能测交流电流，图（b b）的读数为）的读数为3.6A3.6AD.D.这种电流表既能测直流电流，又能测交流电流，这种电流表既能测直流电流，又能测交流电流，图图 （b b）的读数为）的读数为3.6A 3.6A 图图（a）A铁铁芯芯图图（b）C2021/8/11 星期三20五、几种常用变压器五、几种常用变压器1.

16、1.自耦变压器自耦变压器U2U1ABPU1U2n1n2升压变压器升压变压器n1n2U1U2降压变压器降压变压器问题：有没有只问题：有没有只用一组线圈来实用一组线圈来实现变压的变压器现变压的变压器？自耦变压器的原副线圈共用一个线圈2021/8/11 星期三212.2.互感器互感器 A电流互感器电流互感器电压互感器电压互感器V 使用时把原线圈与电路并联，原线圈匝数多于副线圈匝数 使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数2021/8/11 星期三22例例4.4.为了保证用电安全，家庭居室的室内电路前端一为了保证用电安全，家庭居室的室内电路前端一般都安装漏电保护开关，如图所示是保护开关的电路

17、般都安装漏电保护开关，如图所示是保护开关的电路原理简图原理简图 问：问：（1 1）电路正常工作时，）电路正常工作时，b b线圈是没有电流的，原线圈是没有电流的，原因是什么？因是什么？（2 2）如果站在地上的人不小心接触火线时，）如果站在地上的人不小心接触火线时，b b线线圈为什么会产生感应电流？圈为什么会产生感应电流？2021/8/11 星期三23解析解析 发电厂的零线是接地的，漏电保护开关有一个结发电厂的零线是接地的，漏电保护开关有一个结构和变压器相似的电流互感器，其铁芯的构和变压器相似的电流互感器，其铁芯的a a侧有两个形侧有两个形状、绕向和匝数都完全相同的线圈（图中分别用实线和状、绕向和

18、匝数都完全相同的线圈（图中分别用实线和虚线表示），它们分别将用电器和火线、零线串联起来虚线表示），它们分别将用电器和火线、零线串联起来，220V220V交变电流在交变电流在MNOMNO、GRKGRK与发电厂之间流过；铁与发电厂之间流过；铁芯的芯的b b侧有另一个线圈与电磁继电器侧有另一个线圈与电磁继电器J J的线圈（图中未的线圈（图中未画出）并联，室内电路正常工作时，画出）并联，室内电路正常工作时，b b线圈没有电流，线圈没有电流，J J保持导通状态，当漏电时，保持导通状态，当漏电时，b b线圈便会产生感应电流，线圈便会产生感应电流，推动电磁继电器推动电磁继电器J J切断用电器的电路，从而防止

19、事故的切断用电器的电路，从而防止事故的发生发生2021/8/11 星期三24答案答案 （1 1）电流互感器）电流互感器a a侧两线圈完全相同，流过两侧两线圈完全相同，流过两线圈的电流大小相等，方向相反，它们产生的磁场相线圈的电流大小相等，方向相反，它们产生的磁场相互抵消，互抵消，b b侧线圈磁通量总为零而不变，线圈中不产侧线圈磁通量总为零而不变，线圈中不产生感应电流生感应电流（2 2）火线的电流有一部分流经人体，经大地流回发电）火线的电流有一部分流经人体，经大地流回发电厂，厂，a a侧两线圈电流大小不等，产生侧两线圈电流大小不等，产生“剩余电流剩余电流”在在铁芯中产生变化的铁芯中产生变化的“剩

20、余磁通剩余磁通”，b b侧线圈中磁通量侧线圈中磁通量发生变化，线圈中产生感应电流发生变化，线圈中产生感应电流2021/8/11 星期三25练习练习3.3.（19991999全国卷）如图是全国卷）如图是4 4种亮度可调的台灯的种亮度可调的台灯的电路的示意图，它们所用的灯泡相同，且都是电路的示意图，它们所用的灯泡相同，且都是“220V“220V 40W”40W”，当灯泡消耗的功率都调至，当灯泡消耗的功率都调至20W20W时，哪种台灯时，哪种台灯消耗的功率最小？消耗的功率最小？解析解析 理想变压器的输入功率等于输出功率，在变压理想变压器的输入功率等于输出功率，在变压器上是没有功率损失的，所以含有变压

21、器的台灯消耗器上是没有功率损失的，所以含有变压器的台灯消耗功率就等于灯泡消耗的功率而其余三种电路中有另功率就等于灯泡消耗的功率而其余三种电路中有另外的变阻器，除灯泡消耗功率外，在变阻器上有额外外的变阻器，除灯泡消耗功率外，在变阻器上有额外的功率损失的功率损失答案答案 C C2021/8/11 星期三26六、解决有多个副线圈的理想变压器的问题六、解决有多个副线圈的理想变压器的问题 一个原线圈多个副线圈的理想变压器，原一个原线圈多个副线圈的理想变压器，原线圈匝数为线圈匝数为n n1 1，两个副线圈的匝数分别为，两个副线圈的匝数分别为n n2 2和和n n3 3，相应的电压分别为，相应的电压分别为U

22、 U1 1、U U2 2和和U U3 3，相应的电流分，相应的电流分别为别为I I1 1、I I2 2和和I I3 3，根据变压器的工作原理可得：，根据变压器的工作原理可得：2021/8/11 星期三272021/8/11 星期三28【例【例5 5】一台理想变压器原线圈匝数】一台理想变压器原线圈匝数n n1 111001100匝，两个副线圈的匝数分别是匝，两个副线圈的匝数分别是n n2 26060匝，匝，n n3 3600600匝。若通过两个副线圈中的电流分别为匝。若通过两个副线圈中的电流分别为I I2 21A1A，I I3 34A4A，求原线圈中的电流。，求原线圈中的电流。解析：对于理想变压

23、器，输入功率与输出解析：对于理想变压器，输入功率与输出功率相等，则有功率相等，则有I I1 1n n1 1I I2 2n n2 2I I3 3n n3 3I I1 1（I I2 2n n2 2I I3 3n n3 3）n n1 1（16016046004600）110011002.24A2.24A2021/8/11 星期三29例例 6、如如 图图 所所 示示：理理 想想 变变 压压 器器 的的 交交 流流 输输 入入 电电 压压U1=220V，有有两两组组副副线线圈圈，其其中中n2=36匝匝，标标有有“6V，9W”、“12V，12W”的的灯灯泡泡分分别别接接在在两两副副线线圈圈上均正常发光，求

24、：上均正常发光，求：（1）原线圈的匝数为）原线圈的匝数为n1和另一副线圈的匝数和另一副线圈的匝数n3.（2）原线圈的电流）原线圈的电流I1。n3n2n1解：（解：（1）由于两灯均正常发光，）由于两灯均正常发光，所以有：所以有：U2=6V，U3=12V根根 据据 原原、副副 线线 圈圈 电电 压压 与与 匝匝 数数 的的 关关 系系，有有：U1/U2=n1/n2 n1=U1n2/U2=1320匝。匝。U3/U2=n3/n2，n3=U3n2/U2=72匝。匝。（2）根据能量守恒，有）根据能量守恒，有P入入=P出出。即。即I1U1=P2+P3，则则I1=（P2+P3）/U1=0.095A2021/8

25、/11 星期三30练习练习4 4如图所示，理想变压器的原线圈接如图所示，理想变压器的原线圈接上上220V220V交流电压，副线圈有交流电压，副线圈有A A、B B两组，两组，A A组接组接44的电阻，的电阻，B B组接规格为组接规格为“10V24W”“10V24W”的灯泡。的灯泡。已知已知A A组的线圈匝数为组的线圈匝数为3030匝，两端电压为匝，两端电压为6V6V，灯泡正常发光，求原线圈的匝数和电流。灯泡正常发光，求原线圈的匝数和电流。2021/8/11 星期三31【例【例7 7】在绕制变压器时，某学生误将两个线圈绕】在绕制变压器时，某学生误将两个线圈绕在如图所示变压器左右两臂上，当通以交变

26、电流在如图所示变压器左右两臂上，当通以交变电流时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中部的臂，已知线圈的匝数个线圈，另一半通过中部的臂，已知线圈的匝数之比之比n n1 1:n:n2 22 2：1.1.在不接负载的情况下，则在不接负载的情况下，则-（）A A当线圈当线圈1 1输入电压为输入电压为220V220V时，线圈时，线圈2 2输出电压为输出电压为110V110VB B当线圈当线圈1 1输入电压为输入电压为220V220V时，线圈时，线圈2 2输出电压为输出电压为55V55VC C当线圈当线圈2 2输入电压为输入电压为110V1

27、10V时，线圈时，线圈1 1输出电压为输出电压为220V220VD D当线圈当线圈2 2输入电压为输入电压为110V110V时，线圈时，线圈1 1输出电压为输出电压为110V110V2021/8/11 星期三32 解析：当线圈解析：当线圈1 1接接220V220V的交流电压时，设穿的交流电压时，设穿过线圈过线圈1 1的磁通量为的磁通量为，根据题意则穿过线圈，根据题意则穿过线圈2 2的磁通量为的磁通量为2.2.设线圈设线圈1 1、2 2的匝数分别为的匝数分别为2n2n、n n，则：，则：2202202n2nt U2t U2nnt1t12 2两式相比得两式相比得U U2 255V55V 当线圈当线

28、圈2 2接接110V110V的交流电压时，设穿过线圈的交流电压时，设穿过线圈2 2的磁通量为的磁通量为，根据题意则穿过线圈，根据题意则穿过线圈1 1的磁的磁通量为通量为2.2.110110nnt t U U1 12n2nt1t12 2两式相比得两式相比得U U1 1110V 110V 选选BDBD 2021/8/11 星期三33练习练习5 5一理想变压器如图所示，在一理想变压器如图所示，在n n1 1两端接两端接交流电交流电U U1 1220V220V，n n1 1为为44004400匝，匝，n n2 2为为11001100匝。若匝。若要使要使U U3 3U U2 2，求，求n n3 3。解析

29、：解析：n n1 1匝线圈产生的电动势匝线圈产生的电动势E E1 1U U1 1n n1 11 1tt n n2 2匝线圈产生的电动势匝线圈产生的电动势E E2 2U U2 2n n2 22 2tt n n3 3匝线圈产生的电动势匝线圈产生的电动势E E3 3U U3 3n n3 33 3tt 而而1 12 2223 3 所以所以U U2 2n n2 2U U1 1/n/n1 1 U U2 2n n2 2U U1 1/n/n1 155V55V 而而U U1 1n n1 12U2U3 3/n/n3 3（U U2 2U U3 3）2n2n1 1U U3 3U U1 1 24400552440055220220 22002200匝匝2021/8/11 星期三34小结：小结：1.1.变压器的结构和工作原理变压器的结构和工作原理2.2.理想变压器的理想化模型及功率传输理想变压器的理想化模型及功率传输规律规律3.3.理想变压器的变压和变流规律理想变压器的变压和变流规律2021/8/11 星期三35