5.4　变压器-2021-2022学年高二物理精梳细讲 讲义（人教版选修3-2）

5.4　变压器 【基础知识梳理】 知识点01 变压器的原理 1．构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫原线圈，与负载连接的线圈叫副线圈． 2．原理：互感现象是变压器工作的基础．原线圈中电流的大小、方向不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势． 知识点02 电压与匝数的关系 1．理想变压器：没有能量损失的变压器叫做理想变压器，它是一个理想化模型． 2．电压与匝数的关系 原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即＝. 3．理想变压器原、副线圈的功率关系 P1＝P2(填“>”“＝”或“<”)． 4．两类变压器 副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器． 【实例1】 如图1所示，把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈(原线圈)通过开关可以连接到交流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连到小灯泡上．连接电路，接通电源，小灯泡能发光． 图1 (1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？ (2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？如果不相等，为什么？ (3)若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗？为什么？ 答案　(1)当左边线圈接上交流电源时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律知，在右边线圈中会产生感应电动势，右边线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光． (2)不相等．左、右线圈中每一个线圈上磁通量的变化率都相同，若左边线圈匝数为n1，则U1＝E1＝n1.若右边线圈匝数为n2，则U2＝E2＝n2，故有＝；若忽略左边线圈的电阻，则有U1＝U电源，因为n1≠n2，故小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压就不相等． (3)不发光，因为无法在副线圈中产生感应电动势． 【总结】 1．变压器的原理是互感现象．当原线圈接交变电压时，在铁芯中产生周期性变化的磁场，在副线圈中会产生感应电动势，由于原、副线圈绕在同一个闭合铁芯上，所以穿过每一线圈的磁通量的变化率相等，但由于原、副线圈匝数不同，故电压不同． 强调　(1)变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变恒定电压、恒定电流． (2)变压器原、副线圈中交流电的频率相等，即变压器不改变交流电的频率． 2．变压器原、副线圈中的电压关系 (1)只有一个副线圈：＝； (2)有多个副线圈：＝＝＝… 【问题】(1)什么是理想变压器？理想变压器原、副线圈中的功率有什么关系？ (2)根据能量守恒推导只有一个副线圈时原、副线圈中的电流与匝数的关系． (3)根据能量守恒推导有多个副线圈时原、副线圈中的电流与匝数的关系． 答案　(1)理想变压器的理想化条件一般指的是：忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副线圈磁通量的差别，忽略变压器铁芯中涡流造成的能量损耗．所以理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出． (2)由能量守恒有P入＝P出，即U1I1＝U2I2. 所以＝＝. (3)若有多个副线圈，则P1＝P2＋P3＋…， 即U1I1＝U2I2＋U3I3＋… 将U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…代入得 n1I1＝n2I2＋n3I3＋… 【总结】 1．功率关系 从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出． 2．电流关系 (1)只有一个副线圈时，U1I1＝U2I2或＝. (2)当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋… 知识点03 自耦变压器和互感器 1．自耦变压器 铁芯上只绕有一个线圈，如果把整个线圈作为原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压，反之则可以升高电压，如图5所示． 图5 2．互感器 交流电压表和交流电流表都有一定的量程，不能直接测量高电压和大电流． 互感器是利用变压器的原理来测量高电压或大电流的仪器． (1)电压互感器：实质是降压变压器，可以把高电压变成低电压(如图6所示)．电压互感器应并联接入电路． (2)电流互感器：实质是升压变压器，可以把大电流变成小电流(如图7所示)．电流互感器应串联接入电路． 图6　　　　　　　图7 知识点04 理想变压器的动态分析 1．电压、电流、功率的制约关系 (1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2＝. (2)功率制约：P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小；P出为0，P入为0. (3)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝(只有一个副线圈时)． 2．对理想变压器进行动态分析的两种常见情况： (1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→