第33講　變壓器　遠(yuǎn)距離輸電　實(shí)驗(yàn)：探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系

第33講變壓器遠(yuǎn)距離輸電實(shí)驗(yàn):探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系實(shí)驗(yàn):探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系1.在“探究變壓器線圈兩端電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中(1)為了人體安全,電源的交流電壓不要超過A(填選項前面的字母).

A.12V B.24VC.36V D.220V(2)下列器材中,本實(shí)驗(yàn)需要用到的是BD(填選項前面的字母).

(3)如圖所示,為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量,鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成.硅鋼片應(yīng)平行于B(填選項前的字母).

A.平面abcd B.平面aehdC.平面abgh D.平面dcfe(4)若有一臺銘牌模糊的可拆卸式變壓器,該變壓器可近似看作理想變壓器.某同學(xué)欲測量它的初級、次級線圈匝數(shù):先在上端鐵軛(閉合鐵芯中不套繞組只起磁路作用的部分)處緊密纏繞100匝漆包細(xì)銅線,并將細(xì)銅線兩端與理想交流電壓表接成閉合回路.然后在次級線圈兩端的接線柱上輸入8.0V低壓交流電壓,理想交流電壓表示數(shù)為2.0V,則次級線圈的匝數(shù)為400匝.

(5)某同學(xué)組裝變壓器時,由于疏忽,上端鐵軛漏裝.實(shí)驗(yàn)時,若變壓器左右兩側(cè)線圈分別選用匝數(shù)n左=400匝和n右=800匝進(jìn)行實(shí)驗(yàn),一側(cè)線圈與交流低壓電源相連,另一側(cè)線圈與理想交流電壓表接成閉合回路,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表(左側(cè)線圈電壓U左可能是交流低壓電源顯示的供電電壓,也可能是交流電壓表測量的電壓;右側(cè)線圈電壓U右同樣如此):U左/V2.004.006.008.00U右/V2.905.608.3811.14根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可判斷左(選填“左”或“右”)側(cè)線圈與交流低壓電源相連.

[解析](1)變壓器的原線圈接低壓交流電,為了保證人身安全,電源電壓不要超過12V,故A正確.(2)實(shí)驗(yàn)中需要交流電源和交流電壓表,不需要干電池和直流電壓表,故A、C錯誤,B、D正確.(3)磁感線環(huán)繞的方向沿著閉合鐵芯,根據(jù)楞次定律和安培定則,產(chǎn)生的電流方向平行于abcd平面,為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量,鋼片應(yīng)與渦流方向平行,即應(yīng)平行于aehd平面,故B正確.(4)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,次級線圈和纏繞在閉合鐵芯上的100匝銅線圈之間的電壓比為U2U3=n2n3(5)由于變壓器上端鐵軛漏裝,存在漏磁現(xiàn)象,另外還有銅損、鐵損等損耗,則副線圈的交流電壓表的實(shí)際讀數(shù)小于理想變壓器的副線圈的讀數(shù),由于U右總是小于U左的兩倍,所以可判斷連接交流電源的原線圈是左側(cè)線圈.2.某同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)室中的自耦變壓器做“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)關(guān)系”的實(shí)驗(yàn).圖甲為變壓器的實(shí)物圖,圖乙為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,圖丙為實(shí)驗(yàn)原理圖.除自耦變壓器外實(shí)驗(yàn)室還提供了如下器材.A.直流電壓表;B.多用電表;C.220V交流電源;D.交直流學(xué)生電源;E.低壓直流電源;F.滑動變阻器“20Ω,2A”;G.滑動變阻器“5Ω,0.5A”;H.開關(guān)、導(dǎo)線若干.回答下列問題:(1)實(shí)驗(yàn)中電源應(yīng)選用D,測量電壓的電表應(yīng)選用B,滑動變阻器應(yīng)選用F.(均填器材前的選項字母)

(2)實(shí)驗(yàn)中原線圈的匝數(shù)用圖甲刻度盤上的總刻度表示,副線圈的匝數(shù)用圖甲刻度盤上的手柄上的指針指示刻度表示.

(3)為了實(shí)驗(yàn)過程中的安全,下列做法正確的是ABD(填選項前的字母).

A.為了人身安全,只能使用低壓電源,所用電壓不要超過12VB.連接好電路后,應(yīng)先檢查電路連接是否正確,再接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)C.因?yàn)槭褂秒妷狠^低,通電時可用手直接接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱D.為了測量電表的安全,測量電壓時,先選用最大量程試測(4)實(shí)驗(yàn)中想通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變副線圈上的電壓,是否可行?不可行.

(5)下表為某次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)電壓比總小于匝數(shù)比,除測量誤差外造成這一結(jié)果的主要原因是(說出兩個原因):①有漏磁(磁損);②鐵芯發(fā)熱(鐵損)或線圈導(dǎo)線發(fā)熱(線圈有電阻).

表:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表(表盤總刻度為240U1=12V)實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345指針指示刻度406080120200U2/N1.902.923.945.969.98[解析](1)變壓器工作必須針對交流電,為了確保安全,選用交流學(xué)生電源D;由于測量的是交流電壓,因此選用多用電表B的交流擋位;為確保安全,選用額定電流為2A的滑動變阻器F.(2)原線圈的匝數(shù)是線圈的總匝數(shù),用圖甲刻度盤上的總刻度表示.(3)在實(shí)驗(yàn)中為了確保人身安全,需要使用低壓電源,且電壓不要超過12V,A正確;為了確保安全,實(shí)驗(yàn)時,連接好電路后,應(yīng)先檢查電路連接是否正確,再接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),B正確;即使使用電壓較低,為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠精確性,通電時也不能用手直接接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱,C錯誤;為了測量電表的安全,測量電壓時,先選用最大量程試測,再選用小一點(diǎn)的量程,確保精度,D正確.(4)根據(jù)變壓器的電壓匝數(shù)關(guān)系可知,副線圈兩端電壓由原線圈電壓與匝數(shù)比決定,與滑動變阻器的阻值大小無關(guān),因此實(shí)驗(yàn)中想通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變副線圈上的電壓,不可行.(5)由于電壓比總小于匝數(shù)比,說明副線圈中磁通量的變化率總小于原線圈中磁通量的變化率,原因在于該變壓器并不是理想的變壓器,在實(shí)際運(yùn)用中既有漏磁(磁損),又有鐵芯發(fā)熱(鐵損)或線圈導(dǎo)線發(fā)熱(線圈有電阻).理想變壓器的原理及其應(yīng)用3.大電流發(fā)生器是電力、電氣行業(yè)在調(diào)試中需要大電流場所的必需設(shè)備,一般采用調(diào)壓器輸出端接升流器輸入端、升流器輸出端接試驗(yàn)回路的方法進(jìn)行電流升流,原理如圖所示.T1為自耦調(diào)壓器,P為調(diào)壓滑動觸頭;T2為升流器,與觸頭1連接時原、副線圈匝數(shù)的比值為k,R為試驗(yàn)回路的等效電阻,忽略其他電阻與感抗等因素的影響,調(diào)壓器與升流器均視為理想變壓器.當(dāng)ab端接入電壓為u=Umsinωt(V)的交變電流時,以下說法正確的是 (D)A.大電流發(fā)生器不僅可以提高試驗(yàn)回路的電流還可以提高試驗(yàn)回路中電流的頻率B.保持與觸頭2連接,僅把滑動觸頭P向下滑動,R可以獲得更大的電流C.保持滑動觸頭P位置不變,僅將觸頭2轉(zhuǎn)換至觸頭1,R可以獲得更大的電流D.將滑動觸頭P置于中間位置且與觸頭1連接,試驗(yàn)回路的電流為調(diào)壓器輸入端的2k倍[解析]大電流發(fā)生器不可以提高試驗(yàn)回路中電流的頻率,A錯誤;保持與觸頭2連接,僅把滑動觸頭P向下滑動,試驗(yàn)回路獲得的電壓變小,電流變小,B錯誤;保持滑動觸頭P位置不變,則升流器的輸入端電壓不變,根據(jù)變壓器變壓規(guī)律可知,當(dāng)僅將觸頭2轉(zhuǎn)換至1,升流器原、副線圈匝數(shù)比變大,cd端的電壓變小,電流變小,C錯誤;保持滑動觸頭P置于中間位置,由調(diào)壓器原、副線圈的電流比等于匝數(shù)的反比可知經(jīng)過了調(diào)壓器,電流為調(diào)壓器輸入端電流的2倍,而與觸頭1連接,經(jīng)過升流器,電流又為升流器輸入端電流的k倍,故試驗(yàn)回路的電流為調(diào)壓器輸入端電流的2k倍,D正確.4.(多選)如圖所示,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比n1∶n2=11∶5,原線圈接u1=110sin100πt(V)的交流電,電阻R1=R2=25Ω,D為理想二極管,則 (BC)A.通過電阻R1的電流為2AB.二極管的反向耐壓值應(yīng)大于50VC.原線圈的輸入功率大于50WD.通過原線圈的電流為1511[解析]由交流電瞬時值表達(dá)式知,原線圈電壓有效值為U=1102V=552V,根據(jù)UU2=n1n2得,副線圈兩端電壓有效值為U2=252V,則通過電阻R1的電流為I1=U2R1=25225A=2A,故A錯誤;因?yàn)檩敵鲭妷鹤畲笾禐?0V,所以二極管的反向耐壓值應(yīng)大于50V,故B正確;根據(jù)電流熱效應(yīng)定義知,(252V)2R2×T2=U32R2T,解得R2兩端電壓的有效值為U3=25V,則通過R2的電流為I2=5.[2022·河北卷]張家口市壩上地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電場是北京冬奧會綠色電能的主要供應(yīng)地之一,其發(fā)電、輸電簡易模型如圖所示,已知風(fēng)輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)速為每秒z轉(zhuǎn),通過轉(zhuǎn)速比為1∶n的升速齒輪箱帶動發(fā)電機(jī)線圈高速轉(zhuǎn)動,發(fā)電機(jī)線圈面積為S,匝數(shù)為N,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,t=0時刻,線圈所在平面與磁場方向垂直,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交變電流經(jīng)過理想變壓器升壓后,輸出電壓為U.忽略線圈電阻,下列說法正確的是 (C)A.發(fā)電機(jī)輸出的電壓為2πNBSzB.發(fā)電機(jī)輸出交變電流的頻率為2πnzC.變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為2πNBSnz∶UD.發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的瞬時電動勢e=2πNBSnzsin(2πnzt)[解析]發(fā)電機(jī)線圈的轉(zhuǎn)速為nz,輸出交變電流的頻率為f=nz,B錯誤;線圈繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生正弦交流電,最大值為Em=NBS·2π·nz,輸出電壓的有效值為E=Em2=2πNBSnz,A錯誤;變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n1n2=EU=2πNBSnzU,C正確;發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的瞬時電動勢為e遠(yuǎn)距離輸電問題6.如圖所示為某小型發(fā)電站高壓輸電示意圖.升壓變壓器原、副線圈兩端的電壓分別為U1和U2,降壓變壓器原、副線圈兩端的電壓分別為U3和U4.在輸電線路的起始端接入兩個互感器,二者原、副線圈的匝數(shù)比分別為10∶1和1∶10,各互感器和電表均為理想的,則下列說法正確的是 (D)A.若電壓表的示數(shù)為220V,電流表的示數(shù)為10A,線路輸送電功率為110kWB.若保持發(fā)電機(jī)輸送功率一定,僅將U2增大,輸電線損耗功率增大C.若保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U1和用戶數(shù)一定,僅將滑片Q下移,輸電線損耗電壓減小D.若保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U1和Q的位置一定,使用戶數(shù)增加,為維持用戶電壓U4一定,可將滑片P上移[解析]由題意,根據(jù)理想變壓器變壓和變流規(guī)律可得U2UV=10、I2IA=10,解得U2=2200V、I2=100A,所以線路輸送的電功率為P=U2I2=220kW,故A錯誤;輸電線損耗的功率為ΔP=I22r=PU22r,若保持P不變,U2增大,則ΔP減小,故B錯誤;根據(jù)閉合電路歐姆定律有U3=U2-I2r,根據(jù)理想變壓器變壓和變流規(guī)律有U3U4=n3n4、I2I4=n4n3,設(shè)用戶端總電阻為R,則有I4=U4R,聯(lián)立解得I2=U2r+n3n42R,若保持發(fā)電機(jī)輸出電壓U1和用戶數(shù)一定,僅將滑片Q下移,則輸電電壓U2增大,R不變,所以輸電電流I2增大,而輸電線損耗的電壓為ΔU=I2r,所以ΔU增大,故C錯誤;若保持發(fā)電機(jī)輸出電壓素養(yǎng)提升用等效法處理變壓器問題7.[2021·湖南卷]如圖所示,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為n1∶n2,輸入端C、D接入電壓有效值恒定的交變電源,燈泡L1、L2的阻值始終與定值電阻R0的阻值相同.在滑動變阻器R的滑片從a端滑動到b端的過程中,兩個燈泡始終發(fā)光且工作在額定電壓以內(nèi),下列說法正確的是 (A)A.L1先變暗后變亮,L2一直變亮B.L1先變亮后變暗,L2一直變亮C.L1先變暗后變亮,L2先變亮后變暗D.L1先變亮后變暗,L2先變亮后變暗[解析]輸入端C、D間電壓有效值恒定,即燈L1兩端電壓和變壓器兩端電壓之和恒定,將變壓器和副線圈負(fù)載整體視為一個“等效電阻”,此“等效電阻”與燈L1串聯(lián)分壓,在滑動變阻器的滑片由a端滑到b端過程中,負(fù)載電路的總電阻先變大后變小,即“等效電阻”先變大后變小,輸入端C、D間的總電阻先變大后變小,則通過燈L1的電流先變小后變大,所以燈L1先變暗后變亮;因通過L1的電流(即通過原線圈的電流)先變小后變大,故通過副線圈的電流先變小后變大,L1分壓先變小后變大,則變壓器兩端的電壓先變大后變小,由于燈L2與定值電阻R0阻值相等,所以