试验七、探究变压器两个线圈的电压关系.doc

实验七 探究变压器两个线圈电压的关系

【知识导学】

大型发电机发出的交流电压为几万伏，而远距离输电却需要高达几十万夫的电压。各种设备所需的电压也不相同。例如：电灯、电饭锅、电冰箱、洗衣机等家用电器需要220V的的电压，机床上的照明灯需要36V或24V的安全电压。一半半导体收音机的电源电压不超过10V，电视机显像管却需要10000V以上的高压。这就是说，在交流电的传输过程中，必须有能升高或降低电压的设备来满足各种不同的需要，这种设备成为变压器。由于有了变压器，交流电的电压容易改变，所以交流电得到了广泛的运用。
互感现象是变压器的工作基础。当原线圈中加交变电压时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变的磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈电路是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，这个磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中同样要引起感应电动势。
通过变压器可以升压或降压，而影响变压器输出电压的因素很多，如输入电压、铁芯尺寸、线圈匝数等。我们用控制变量法只探究变压器输出电压与匝数的关系。

【实验方案】

一、 实验目的

1、了解变压器的基本构造；
2、探究变压器两端的电压与匝数的关系；
3、学会用控制变量法分析物理量的关系。

二、实验原理

保持原线圈匝数不变，改变副线圈匝数。当变压器初级分别接“0”、“400”匝两端，次级分别接n2（“0”、“200”匝）两端和n'2（“0”、“800”匝）两端。用多用电表的交流电压档测得次级电压，记录数据U2 、U'2，比较两次次级电压之比与匝数比的关系是否满足：

保持副线圈匝数不变，改变原线圈匝数。当变压器初级分别接n1（“0”、“100”匝）两端和n'1 (“0”、“400”匝）两端，次级接“0”、“200”匝两端。用多用电压表的电压档分别测得次级电压。记录数据U2 、U'2 ，比较两次次级电压之比与匝数比的关系是否满足：

三、 实验器材

可拆变压器1个、学生电源1个（交流0~12V可调）、多用电表1个（含0~50V交流电压档）、导线若干。

四、实验设计与过程

1. 仔细观察变压器，了解变压器构造。
2. 断开学生电源，将电源调制交流2V接初级线圈n1=100匝，将学生多用电表调到交流电压最大档接在次级“0”、“200”接线柱，经检查无误后，接通电源，粗略测出电压。断开电源开关，将多用电表调制交流电压合适的档位，再次接通电源，测出次级线圈两端的电压。
3. 断开电源，不改变初级线圈所接的电压和匝数，将学生多用电表调到交流电压最大档一次接在次级“200”、“800”接线柱；“800”、“1600”接线柱；“200”、“1600”接线柱；“0”、“1600”接线柱。按步骤2中的测量方法分别进行测量。
4. 断开电源，将电源调制交流10V接初级线圈n1=200匝，将学生多用电表调到交流电压最大档接在次级“0”、“400”接线柱，经检查无误后，接通电源，粗略测出电压。断开电源开关，将多用电表调制交流电压合适的档位，再次接通电源，测出次级线圈两端的电压。
5. 断开电源，保持电源交流10V档位不变，初级分别接“200”、“800”接线柱；“800”、“1600”接线柱；“200”、“1600”接线柱；“0”、“1600”接线柱，保持学生多用电表为交流电压最大档接在次级“0”、“400”接线柱不变，按步骤4中的测量方法分别进行测量。
6. 断开电源开关。实验完毕，整理实验器材。

五、收集数据

1. 保持原线圈匝数n1和电压U1不变，改变副线圈匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响。

表一 原线圈匝数不变，改变副线圈匝数

原线圈匝数n1

副线圈匝数n2

n1：n2

初级电压U1/V

次级电压U2/V

U1：U2

100
200

600

800

1400

1600

2. 保持副线圈匝数n2和电压U1不变，改变原线圈匝数n1，研究n1对副线圈电压U2的影响。

表二 原线圈匝数不变，改变副线圈匝数

原线圈匝数n1

副线圈匝数n2

n1：n2

初级电压U1/V

次级电压U2/V

U1：U2
200

400

600

800

1400

1600

六、分析论证
在误差允许的范围内，利用数学归纳法不难总结出原副线圈电压与匝数间的关系。
七、实验结论

八、误差分析

1. 原线圈和副线圈中的电流共同产生的磁通量，绝大部分通过铁芯，有一小部分漏到铁芯之外。所以用变压器来做这个实验只能是电压比略大于匝数比。
2. 是由于原副线圈存在电阻，使线圈的端电压小于感应电压。改进方法是采用互相绝缘硅钢片叠成的铁芯代替整块铁芯和条形铁轭之间的光洁面要清洁，无锈斑、污渍，铁芯和条形铁轭要用螺丝压紧。

九、注意事项：

1. 试验电源用低压交流电源，电压不要超过12V。不能使用直流电源，也不能使用高压交流电源。
2. 连接电路后由同组的几位同学分别独立检查，经老师检查后才能接通电源。
3. 连接电路是要切断电源，调节时不要用手接触裸露的导线、接线柱。
4. 为了多用电表的安全，使用交流电压当时，先用最大量程档测试，大致确定被测定电压后再选用适当的档位进行测量。
5. 副线圈的匝数要从小到大变化，原线圈的匝数要从大到小变化。

【评估交流】
1、每次改变原（副）线圈匝数时是否需要断开电源？为什么？

2、此实验中的电源用的是直流电源还是交流电源？为什么？

【典例剖析】

1. 为了测定一个理想变压器原、副线圈的匝数，现把其原线圈接入220V交流电路中，另用导线在原线圈外绕一圈后接上一个电压表，测得其示数为0.25V，如果取走导线换上副线圈，并在副线圈两端接入一个“36V、4W”的灯泡恰能正常发光，则该变压器原线圈匝数n1= ；副线圈匝数n2= 。
[详细解答]导线在原线圈外绕一圈，则相当于一个匝数n2=1的副线圈。由变压器的计算公式：

所以

取走导线换上副线圈，副线圈两端电压为36V，由于原线圈匝数和电压都不变，则每匝上电压仍为0.25V。
所以有

[解题指导]本题主要是让学生通过分析后知道在实际运用中，往往是根据电压的需求来设计变压器的匝数。

2. 如图所示，一台理想变压器的原线圈匝数n1与副线圈匝数n2之比为5:1．原线圈两端加U1=220 V的正弦交变电压时，副线圈两端的电压U2为（ ）

A.44 V B.33 V C.22 V D.11 V
[详细解答]由可得，故选项A正确。
[解题指导]本题主要考查学生对变压器变压关系的掌握。
3. 如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数之比为4：1，原线圈两端接u=220sin100πt（V）的交流电源，副线圈两端接R=55Ω的负载电阻，电表均为理想交流电表．则下列说法中正确的是（　　）

　 A． 副线圈中输出交流电的频率为12.5Hz
　 B． 副线圈中电压表的示数为55V
　 C． 变压器的输入功率为110W
　 D． 原线圈中的电流表A的示数为0.25A
[详细解答]根据瞬时值的表达式可以求得输出电压的有效值、周期和频率等，再根据电压与匝数成正比即可求得结论。
变压器不会改变电流的频率，则副线圈输出电流的f==50Hz，故A错误；由瞬时值的表达式可知原线圈的电压的有效值为U=220V，理想变压器原副线圈匝数比为4：1，根据电压与匝数成正比可知，副线圈的电压的有效值为55V，即为电压表的读数，故B错误；
变压器的输入功率和输出功率相等，副线圈的功率为P==55W，所以原线圈中的输入功率也为55W，故C错误；副线圈的电流为I2==1A，根据电流与匝数成反比可得，原线圈的电流大小为I1=0.25I2=0.25A，故D正确。
[解题指导] 掌握理想变压器的电压、电流之间的关系，即电压与匝数成正比，电流与匝数成反比。知道正弦交变电流最大值和有效值之间的关系即可解决本题。

4. 如图所示，一理想变压器的原、副线圈匝数之比为n1：n2=10：1，原线圈接入电压u=220sin100πt（v）的交流电源，电压表和电流表对电路的影响可忽略不计，定值电阻R=10Ω，可变电阻R′的阻值范围为0～10Ω，则（　　）

　 A． 副线圈中交变电流的频率为100Hz
　 B． t=0.02s时，电压表的示数为22V
　 C． 调节可变电阻R′的阻值时，电流表示数的变化范围为0.11A～0.22A
　 D． 当可变电阻阻值为10Ω时，变压器的输入电功率为242W
[详细解答]BC电流的频率是由电压决定的，所以原副线圈中电流的频率是一样的，都为50Hz，所以A错误；电压表的示数为电路的有效电压的大小，原线圈的有效电压为220V，根据电压与匝数成正比知电压表的示数为22V，所以B正确；当R′的阻值为零时，副线圈电流为I=2.2A，当R′的阻值为10Ω时，副线圈电流为I′=1.1A，电流与匝数成反比，所以C正确；当可变电阻阻值为10Ω时，变压器的输入电功率等于输出功率P=I2R=1.12×20=24.2W，所以D错误；故本题选BC。
[解题指导]本题主要考察学生对变压器的构造和原理的掌握。