變壓器問題疑點(diǎn)分析

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置。在高中物理中，變壓器是電磁感應(yīng)理論的重要應(yīng)用，是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是高考命題的熱點(diǎn)，它能夠有效考查學(xué)生的知識遷移能力和靈活應(yīng)用能力。為了更好地理解變壓器知識、處理變壓器問題，本文對變壓器相關(guān)疑點(diǎn)問題進(jìn)行分析。

在高中階段，學(xué)生主要學(xué)習(xí)理想變壓器，理想變壓器就是將實(shí)際變壓器理想化，忽略實(shí)際變壓器中的一些次要因素，滿足下列理想化條件：(1) 忽略銅損，即不考慮原、副線圈電阻。(2) 忽略鐵損，即鐵芯中沒有損耗。(3) 忽略漏磁，即原、副線圈的磁通相等。(4) 勵(lì)磁電流等于零，即要求鐵芯的磁導(dǎo)率μ為無窮大。

我們在分析理想變壓器問題時(shí)，可從實(shí)際變壓器出發(fā)，再根據(jù)理想化條件去處理理想變壓器的相關(guān)問題。

1 變壓比和變流比公式的推導(dǎo)及適用條件

圖1

由此可見：變壓器的變壓比和變流比公式是有適用條件的，變壓比在有負(fù)載正常工作和空載時(shí)均成立，負(fù)載短路時(shí)由于漏阻抗壓降不可忽略，公式不成立；而變流比公式只有在負(fù)載正常工作時(shí)才成立。

2 輸出電路中含有理想二極管

在一些高考題或者模擬題中，變壓器輸出電路含有二極管問題涉及電流有效值和平均功率的求解，有些學(xué)生往往無從下手，甚至部分教師也莫衷一是。筆者認(rèn)為，理想二極管雖為非線性元件，其單向?qū)щ娦詫蛔冸娏髌鸬秸鞯淖饔?，但是仍采用純電阻電路的方法處理，并不會像電感、電容一樣引起電路的相位差，出現(xiàn)視在功率不等于平均功率的問題，因此可以從能量關(guān)系(功率關(guān)系)的角度討論，可引入“等效電阻”的概念，對其進(jìn)行等效處理。

一變壓器電路如圖2所示，一個(gè)理想二極管和阻值為R的負(fù)載電阻串聯(lián)，接在變壓器副線圈的兩端，假設(shè)副線圈電壓的最大值為Um,電流的最大值為Im，則此時(shí)副線圈電壓和電流如圖3、4所示。

圖2

圖3

圖4

圖5

A. 交流電的頻率為100Hz

C. 通過副線圈電流為3A

D. 負(fù)載消耗功率為150W

圖6

例2：如圖7所示，在A、B間接入U(xiǎn)1=220V的正弦交流電，通過理想變壓器和二極管D1、D2給阻值R=20Ω的電阻供電，已知D1、D2為相同的理想二極管，變壓器原線圈n1=110匝，n2=20匝，Q為副線圈正中央抽頭，為保證安全，二極管的反向耐壓值至少為U0，設(shè)電阻R上消耗的功率為P，則( )。

圖7

B.U0=40V,P=80W

D.U0=40V,P=20W

圖8

利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娮兂芍绷麟娋褪钦?，高中物理考查交流電路的問題中常見的整流方式除了半波整流(例1)，還有全波整流(例2)，此時(shí)通過電阻R的電流方向始終不變，且在整個(gè)周期內(nèi)輸出電路上對應(yīng)的等效負(fù)載電阻始終為R,因此可根據(jù)能量關(guān)系直接求得。

3 結(jié)語

理想變壓器是高中物理階段眾多理想化模型之一，教師不僅要對這些理想化模型的結(jié)構(gòu)和原理了如指掌，更要熟知它們工作的實(shí)際情形，平時(shí)多注重知識的積累，選擇合適的方法去解決問題，切忌盲目套用公式。

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