变压器的基本概念和演示实验.docx

变压器的基本概念和演示实验一．基本原理1．总论变压器是一种使某值交变电压转换成同频率的另一值的交变电压而电功率几乎不变的电器．变压器的基本构造是两个线圈绕在同一铁芯上．输入电能的线圈，也就是接于电源的线圈，叫做原线圈，输出电能的线圈，也就是以电能供给受电器的线圈，叫做副线圈．这两个电路之间根本没有导体相连接，电流是不能从一个电路传导到另一电路上的，电能也不能直接地传递，但是两线圈绕在同一铁芯上，原线圈中的电能可以通过磁场传递到副电路中．这种不籍导线而能传递电能的现象是变压器的特性．在传递电能的过程中同时它还完成一种任务，就是把电压加以改变，以适合实用上所要求的各种不同的电压．2、变压器和交变电流的关系变压器的副电路中的电流是一种感应电流，是由于副线圈中的感生电动势所产生的，副线圈中能产生感应电动势的原因则是穿过这线圈的磁通量时刻在变化（电磁感应现象），而产生这种变化的原因又是原线圈中的电流在不断地改变着，由此可知，变压器的副电路中产生电动势的必要条件是原线圈中存在着时刻变化的电流．为了这个目的，变压器就应用了交变电流为电源，直流电则不能产生感应电动势，变压器决不能用它为电源．发电厂所发的电通常是交流而非直流的最主要原因就在于唯有交变电流才能利用变压器来提高电压增加输电效率．原电路中的电流每有一次交变，铁芯中的磁场也有一次交变，因而副电路中的感生电流也有一次交变，也就是说，原电路的交流和副电路的交流有着同一的频率（参阅实验1）．3、铁芯的作用一匝线圈中感生电动势的大小正比于穿过这线圈的磁通量的时间变率（即单位时间内的变化），这是电磁感应中的主要定律，亦即法拉第定律．变压器中的磁通量的大小除随着线圈的安匝数的增加而增加之外，还跟芯的物质的磁导率有关．铁金属的磁导率比之空气要大很多倍，变压器中所以要用磁导率极大的铁金属物质作芯的道理，就是为了它可以大大地增多磁通量，而有可能使副线圈的感应电动势较之没有铁芯时加大（参阅实验2）．如果变压器不用铁金属物质而用磁导率极小的物质作芯的话，那末变压器就很难圆满地完成它的变压任务．磁线都是闭合的曲线，这曲线有时全部在铁中，有时一段在铁中而一段在空气中．这些闭合的磁线的路径组成所谓“磁路”，一个线圈所产生的磁通量决定于线圈的安匝数以及磁路的各段的长短、横截面以及磁导率．如果磁路在闭合的框形铁芯中，则一定的安匝数所生的磁通量比之磁路中有空气时要大得多；磁路的空气隙相当长时；则一定的安匝数所产生的磁通量更少；如果磁路全部是在空气中，则磁通量更少得很了．图1（a）表示闭合的框形铁芯的磁场，图1（b）表示有空气隙的铁芯的磁场，图1（c）表示铁芯成棒形而磁路有大部分在铁芯以外的空气中的磁场，图1（d）表示没有铁芯的磁场．因为过密的磁感线难于描绘，在这些图中只约略表示了磁通量有多少的分别；事实上如果安匝数一样的话，四个图中的磁力线数相差的倍数是很大的．由此可知，变压器不仅要用磁导率极大的铁金属做芯，而且铁芯要做成闭合的框形，以使一定的安匝数可产生最多的磁通量，而增加感应电动势的数值．4、感应电动势和匝数的关系法拉第电磁感应定律告诉我们，一个环形导体中感应的电动势的数值跟穿过这环的磁通量的时间变率成正比．一个线圈如果有n匝，而穿过各匝的磁通量又相等，那末当磁通量变化时每一匝中感应的电动势必是相等．而这些匝中的电动势方向皆相同（好像n个电池串联起来一样），因此总电动势就等于每一匝中的电动势的n倍．在变压器中，铁芯内部的磁通量同时穿过原副线圈（即图2的互磁通）；当铁芯的磁通量变化时，无论是原线圈或副线圈每匝中的电动势都相等，因而两线圈的总电动势（e1，e2）就和它们的匝数（n1，n2）成正比（参阅实验3），也就是这就是变压器的基本要义，变压器之所以能完成改变电压的任务就在于此．5、电流跟匝数的关系根据能量守恒定律可知变压器两线圈中的电流跟电压成反比，因此电流就跟匝数成反比．但是，这个关系只在不计功率损耗时才可如此说，当功率跟满载功率相差越远，损耗的功率对有用的功率的比值越大，电流跟电压成反比的关系越不真确了．原副电路中电流的关系如用楞次定律来讨论，就能得到清楚的认识（详见下文7）．有许多读者提出，为什么在这里的说法和欧姆定律里电流和电压成正比的说法相反．事实上欧姆定律只能应用到不含有电动势的导体，变压器的原副两方在电的关系上是互相绝缘的，只是通过共通的磁场才互相联系起来的，所以根本上和欧姆定律完全不相干．二、三个近似的公式在变压器的计算中，电压、电流和电功率是三个主要的物理量．在初级课本中，关于这三个量的公式有三个，即要知道这三个公式都是近似的，我们应当把它们搞清楚，然后对于变压器的一些基本概念才不致于模糊．6、电压的近似公式在普通课本中，关于变压器方面，有的说原副线圈中两感应电动势之比等于两线圈的匝数之比，有的说