变压器教案

第四节变压器

●本节教材分析

变压器是交变电路中常见的一种电器设备，也是远距离输送交流电不可缺少的装置.在讲解变压器的原理时，要积极引导学生从电磁感应的角度说明：原线圈上加交流电压产生交流电流，铁芯中产生交变磁通量，副线圈中产生交变电动势，副线圈相当于交流电源对外界负载供电.要向学生强调，从能量转换的角度看，变压器是把电能通过磁场能转换成电能的装置，经过转换后一般电压、电流都发生了变化.有的学生认为变压器铁芯是带电的.针对这种错误认识，可让学生根据电磁感应原理，经过独立思考了解到变压器铁芯并不带电，铁芯内部有磁场（铁芯外部磁场很弱）.

要让学生明白，互感现象是变压器工作的基础.要让学生在学习电磁感应的基础上理解互感现象.这里的关键是明白原线圈和副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁通量变化时刻都是相同的.因而，其中的感应电动势之比只与匝数有关.这样，原副线圈的匝数不同，就可以改变电压了.

要使学生明白，理想变压器是忽略了变压器中的能量损耗，它的输出功率与输入功率相等，这样才得出原、副线圈的电压、电流与匝数的关系.在解决有两个副线圈的变压器的问题时，不做统一的要求，不必急于去分析这类问题，对学有余力的学生，可引导他们进行分析讨论.

变压器在生产和生活中有十分广泛的应用.课本中介绍了一些，教学中可根据实际情况向学生进行介绍，或看挂图、照片、实物或参观，以开阔学生眼界，增加实际知识.

●教学目标

一、知识目标

1.知道变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理。

2.通过实验，探究理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，电流与匝数的关系，了解理想化模型在物理学研究中的重要性。.

3了解变压器在生活中的应用。.

二、技能目标

1.用电磁感应去理解变压的工作原理，培养学生综合应用所学知识的能力.

2.讲解理想变压器使学生了解建立物理模型的意义.（抓主要因素，忽略次要因素，排除无关因素）

三、情感态度目标

1.使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的.

2.培养学生实事求是的科学态度.

●教学重点

变压器工作原理.

●教学难点

变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的.

●教学方法

实验探究、演绎推理.

●教学用具

可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡、自耦变压器、调压器、导线等.

●课时安排

1 课时

●教学过程

一、引入新课

［师］在实际应用中，常常需要改变交流的电压.大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压.各种用电设备所需的电压也各不相同.电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220 V的电压，机床上的照明灯需要36 V的安全电压.一般半导体收音机的电源电压不超过10 V，而电视机显像管却需要10000 V以上的高电压.交流便于改变电压，以适应各种不同需要.变压器就是改变交流电压的设备.这节课我们学习变压器的有关知识.

二、新课教学

1.变压器原理

［师］出示可拆变压器，引导学生观察，变压器主要由哪几部分构成？

［生］变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成.一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）.两个线圈都是绝缘导线绕制成的.铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成.

［师］画出变压器的结构示意图和符号，如下图所示：

［演示］将原线圈接照明电源，交流电压表接到不同的副线圈上，观察交流电压表是否有示数？

［生］电压表有示数且示数不同.

［师］变压器原、副线圈的电路并不相同，副线圈两端的交流电压是如何产生的？请同学们从电磁感应的角度去思考.

［生］在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量.这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势.如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势.副线圈两端的电压就是这样产生的.

［师］物理上把原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象.互感现象是变压器工作的基础.

［生］变压器的铁芯起什么作用？

［师］如果无铁芯，并排放置的原副线圈也发生互感现象，但原副线圈所激发的交变磁场的磁感线只有一小部分穿过对方，漏失的磁感线不会在原副线圈中传送电能.如有铁芯，由于磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，大大提高了变压器的效率.

［生］原副线圈中，感应电动势大小跟什么有关系？

［师］与线圈中磁通量变化率及线圈匝数成正比.

师生共同活动：

1．实验探究得出理想变压器得变比关系

2．推导理想变压器的变压比公式.

设原线圈的匝数为N1，副线圈的匝数为N2，穿过铁芯的磁通量为Φ，则原副线圈中产生的感应电动势分别为

E 1=N 1Δt

1ΦΔ E 2=N 2

Δt Δ2Φ 在忽略漏磁的情况下，ΔΦ1=ΔΦ2，由此可得

2

121N N E E = 在忽略线圈电阻的情况下，原线圈两端的电压U 1与感应电动势E 1相等，则有U 1=E 1；副线圈两端的电压U 2与感应电动势E 2相等，则有U 2=E 2.于是得到

2

121N N U U = ［师］请同学们阅读教材，回答下列问题：

（1）什么叫理想变压器？

（2）什么叫升压变压器？

（3）什么叫降压变压器？

（4）电视机里的变压器和复读机里的变压器各属于哪一类变压器？

［生1］忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，叫做理想变压器.

［生2］当N 2＞N 1时，U 2＞U 1，这样的变压器叫升压变压器.

［生3］当N 2＜N 1时，U 2＜U 1，这样的变压器叫降压变压器.

［生4］电视机里的变压器将220 V 电压升高到10000 V 以上属升压变压器；复读机的变压器将220 V 电压降到6 V ，属于降压变压器.

［师］理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？

［生］P 出=P 入

［师］若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I 1与I 2有什么关系？ ［生］据P 出=U 2I 2，P 入=U 1I 1及P 出=P 入得：

U 2I 2=U 1I 1 则：1

21221N N U U I I == ［师］绕制原副线圈的导线粗细一样吗？

［生］粗细不一样.高压线圈匝数多而通过的电流小，用较细的导线；低压线圈匝数少而通过的电流大，用较粗的导线.

2.几种常见的变压器

［师］变压器的种类很多，请同学们阅读教材，了解几种常见的变压器，并回答下列问题：

（1）自耦变压器有何特点？

（2）自耦变压器如何作升压变压器？又如何作降压变压器？

（3）互感器分为哪几类？

（4）电压互感器的作用是什么？

（5）电流互感器的作用是什么？

［生1］自耦变压器只有一个线圈，滑动头位置变化时，输出电压会连续发生变化. ［生2］若把整个线圈作副线圈，线圈的一部分作原线圈，为升压变压器；若把线圈的一部分作副线圈，整个线圈作原线圈，为降压变压器.

［生3］互感器分为两类，即电压互感器和电流互感器.

［生4］电压互感器用来把高电压变成低电压.它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表，根据电压表测得的电压U 2和变压比，就可以算出高压电路中的电压.

［生5］电流互感器用来把大电流变成小电流.它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表.根据电流表测得的电流I 2和变流比，可以算出被测电路中的电流.

三、小结

本节课主要学习了以下内容：

1.变压器主要由铁芯和线圈组成.

2.变压器可改变交变电的电压和电流，利用了原副线圈的互感现象.

3.理想变压器：忽略一切电磁损耗，有

P 输出=P 输入

2121N N U U = 1

221N N I I = 4.日常生活和生产中使用各种类型的变压器，但它们遵循同样的原理.

四、作业（略）

五、板书设计

六、本节优化训练设计

1.理想变压器原、副线圈匝数比为n 1∶n 2=10∶1, 如图所示.在原线圈中输入交变电压，其瞬时表达式为U 1=2202sin(100πt ) V ，在副线圈两端接入一灯泡和一只交流电压表，下面说法正确的是

A.电压表的示数220 V

B.电压表的指针周期性左右偏转

C.输出交变电压频率减为5 Hz

D.灯泡承受电压的最大值是220 V

2.（1993年全国）如图所示，一理想变压器的原、副线圈分别由双线ab 和cd （匝数都为n 1），ef 和gh （匝数都为n 2）组成，用I 1和U 1表示输入电流和电压，I 2和U 2表示输出电流和电压.在下列四种连接中，符合1

2212121,n n I I n n U U ==的是

A.b 与c 连接，以a 、d 为输入端；f 与g 相连，以e 、h 为输出端

B .b 与c 相连，以a 、d 为输入端；e 与g 相连，f 与h 相连为输出端

C.a 与c 相连，b 与d 相连为输入端；f 与g 相连，以e 、h 为输出端

D.a 与c 相连，b 与d 相连为输入端；e 与g 相连，f 、h 相连为输出端

3.如图所示的理想变压器供电线路中，若将开关S 闭合，电流表A 1的示数将_______，电流表A 2的示数将_______，电流表A 3的示数将_______，电压表V 1的示数将_______，电压表V 2将_______.（不考虑输电线电压损耗）

4.如图，在a 、b 两端与e 、f 两端分别加上220 V 交流电压时，测得c 、d 间与g 、h 间电压均为110 V ，若分别在c 、d 间与g 、h 间加110 V 电压，则a 、b 间与e 、f 间电压分别为

A.220 V ，220 V

B.220 V ，110 V

C.110 V ，110 V

D.220 V ，0

5.在绕制变压器时，将两个线圈绕在如图变压器铁芯的左右两臂上，当通以交流电时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂.已知线圈1、2的匝数比N 1∶N 2=2∶1，在不接负载情况下

A.当线圈1输入电压220 V 时，线圈2输出110 V

B.当线圈1输入电压220 V 时，线圈2输出电压55 V

C.当线圈2输入电压110 V 时，线圈1输出电压220 V

D.当线圈2输入电压110 V 时，线圈1输出电压110 V

参考答案：

1.A

2.AD

3.V 1、V 2均不变，A 1变大，A 2不变，A 3变大

4.B

5.D

●备课资料

理想变压器与实际变压器

理想变压器是对实际变压器作理想化处理后得到的结果.中学物理教材对变压器的讨论，都是在理想化基础上进行的，即认为变压器线圈电阻为零，磁通量全部集中在铁芯中以及变压器运行时内部损耗忽略不计.由此导出原、副绕组的电压平衡方程：U 1=E 1，U 2=E 2；电压关系：2121N N U U =;电流关系：1

221N N I I =和功率传输关系：P 1=P 2. 上述关系基本上反映了变压器的运行规律，但理想变压器与实际变压器存在一定的差距，在某些条件下，这种差距还相当大，以致个别公式并不适用.下面从四个方面作进一步分析.

（1）原、副绕组的电压平衡方程

实际变压器考虑了线圈电阻以及漏磁通的影响，因此其电压平衡方程为：

空载时；负载运行时

.式中R 1、X 1和R 2、X 2分别为原副绕

组的电阻和漏电抗，0?I 为空载电流，20?

U 为副边开路电压.

由于电流1?I （I 0）在R 1、X 1上的压降与主磁感应电动势1?

E 相比数值很小，可以忽略，故有1?U =-1?E .同理，如将2?I 在R 2和X 2上产生的压降忽略，则在空载和负载下，均有2?U =2?E .仅考虑数值大小，我们就得到了理想变压器的电压平衡方程：1?U =1?E ，2?U =2?E .不过从下面的分析可知，U 2=E 2的处理是近似的.

（2）原、副绕组的电压关系式

对于实际变压器，空载时有U 1E 1,U 20=E 2，因此201

U U 21E E =2

1N N .负载时从图所示的外特性曲线可知，当负载为电阻性及电感性时，U 2随I 2的增大而下降，并且功率因数cos φ2愈小，U 2下降愈厉害；当负载为电容性时，U 2随I 2的增大而升高，U 2≠E 2,故21U U ≠2121N N E E =.不过由于电压变动率一般在5%左右，所以近似认为21U U =2

1N N ，即理想变压器的电压关系成立.

（3）原、副绕组的电流关系 由磁势平衡方程，可得到实际变压器原、副绕组的电流关系：21201?

?

?-=I N N I I .因为变压器运行在额定负载时，0?I 只占1?I 的百分之几，故可略去，即有2121?

?

-=I N N I .如只考虑数值关系，则有1

221N N I I =，这就是理想变压器的电流关系式. 这里我们要指出，当变压器运行在轻载或空载状态时，I 1/I 2=N 2/N 1不成立，原因是此时0?I 与1?

I 相比，绝对不可以忽略.

（4）功率传输关系及效率

效率曲线

实际变压器输入、输出功率关系为P1=P Fe+P Cu+P2，式中P Fe为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；P Cu为铜损，即电流在线圈电阻上消耗的功率.变压器的效率η=P1/P2×100%,效率η与输出功率的关系如图所示.

如忽略P Fe和P Cu，则得到理想变压器功率传输关系：P1=P2和η=100%.由于大型变压器运行在额定值附近时，效率可达97%~99.5%，故此时理想变压的关系式均成立.不过请注意，当变压器在轻载和空载条件下运行，其效率是比较低的，也就是此时P1=P2、η=100%均不成立.