高中物理专题：变压器及远距离输电

高中物理专题：变压器及远距离输电

一、

教法建议

本单元双基学习目标

物理知识方面

1． 了解变压器的构造及工作原理。

2． 掌握变压器的电压、电流与匝数的关系式及功率关系。 3． 了解远距离输电原理。 能力培养方面

通过远距离输电原理分析,培养学生分析问题解决实际问题的能力。 指点迷津

本单元重点内容点拨

本单元介绍了理想变压器构造及工作原理,电压比、电流比与匝数的关系,远距离输电原理。要掌握电压与匝数成正比

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1

21n n U U =恒成立,电流与匝数成反比即1

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21n n I I =只对一个副线圈成立,对多个副线圈不成立,代之由输出功率等于输入功率求得++=332111n I n I n I ……。远距离输电要解决是如何减少输电损耗,可采用两种途径：一是减小电阻,即增大截面积,此方法减少损耗是有限的,且多用金属材料；二是采用高压输电,因为功率定时,U 越大,I 越小,据P 损=I 2R 可知线路损耗越小。要会画出远距离输电线路图,对变压器及远距离输电要紧紧抓住能传递和守恒这一基本关系。 二、

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学法指要

本节理论、原理明晰

（一） 变压器

1． 理想变压器构造及工作原理

① 理想变压器 忽略漏磁,忽略原、副线圈内阻,忽略能量损失的变压器。 ② 基本构造 铁芯和原、副线圈线成。

③ 工作原理 依靠交变电流产生的变化磁通,把原、副线圈紧密联系实现电能

的传递,即)()(221i U i U i →→φ

具体说：原线圈通入交流电,线圈中产生交变磁通量,此交变磁通量通过副线圈,穿过副线圈磁通量发生变化,副线圈产生感应电动势。

④ 作用 改变交变电流的电压（电流） 2． 理想变压器的基本关系式

① 功率关系 由理想变压器概念知P 入=P 出。 ② 电压关系

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21n n U U =。 图5-31

推导：如图5-31所示原线圈（n 1）加上交变电压U 1,原线圈产生感应电动势ε

1穿过副线圈（n 2）磁通量发生变化产生电动势ε2。

由法接第第四磁感应定律：对原线圈有 t

n ∆∆=φε11 对副线圈有 t

n ∆∆=2

2

2φε 由理想变压器概念知：11U =ε 22U =ε 21φφ∆=∆ 综合有：

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1

21n n U U = 此关系对多个副线圈多个亦成立。 ③电流关系： a.副线圈只有一个：

2121n n I I =,由P 入=P 出知,2211U I U I =即1

21221n n U U I I == b.副线圈有多个：332211n I n I n I +=+……

由P 入=P 出得：332211U I U I U I +=+…… 将匝数跟电压成正比

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2211n U n U n U ===……代入上式,得： ++=332211n I n I n I …… 说明：

a.变压器不能改变交流电的频率（周期）； b ．不能变换直流电压；

c.细线圈为高压绕组,粗细圈为低压绕组；

d ．求解变压器电路时,要特别明确各物理量的变化是由什么原因引起的,如输入功率和电流都是由负载决定。

（二） 远距离输电 1． 远距离输电原理

远距离输电要解决的关键问题是减少导线上电能损耗,据P 损=I 2R 线知,具体方法有：

①减小输电导线的电阻——

②减小输电电流——据P=IU 知,输送功率P 一定时,提高输电电压

R U

P P U 22

(=损）。前一种方示十分有限,且耗材大,一般采用后一种方法即高压输电。

2． 输电线路图

图5-32

3． 几个常用关系式（见如图5-32）

采用电阻率低的材料

加大导线的横截面积

若升压变压器输出功率为P,输出电压为U,降压变压器得到功率为P',电压为U',则：

输电电流 线

R U U U P I '-==

…………① 输电线损耗功率 )()(2

2

U U I R

U U R I P P P '-='-=

='-=线损……② 由U P

I R I P ==及线耗2

可推得 线损R U

P P 22=……③

由③知,输电电压增大到原来的n 倍,输电导线上损耗功率减少到原来的

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n 。 求解远距离输电的有关问题,常会涉及到较多的物理量,应特别注意各物理量的对应关系。

本单元难点解释

理想变压器的动态分析：理想变压器的动态分析问题是个难点,此类问题,大致有两种情况：一是负载电阻不变,原、副线圈的电压U 1、U 2,电流I 1、I 2,输入和输出功率P 1、P 2随匝数比变化而变化的情况；另一类是匝数比不变,上述各量随负载电阻变化而变化的情况。不论哪种情况,都要注意：①根据题意分清变和不变量；②要弄清“谁决定于谁”的制约关系,对理想变压器,一般情况下,认为原线圈的输入电压U 1是不变的,与匝数和负载电阻都无关；副线圈两端电压1

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2n n U U =,即U 2决定于U 1和匝数比,相当 于输出回路中电池的电动势,与负载无关；流过副线圈的电流I 2=U 2/R （R 为负载总电阻）,即I 2决定于U 2和R ；对有一个副线圈线组接有负载且有电流流过的情况,变压器的输出功率P 2=U 2I 2,在不计变压器损失能量时,输入功率P 1=U 1I 1=P 2=U 2I 2,导出了122

1n n I I =,所以I 1决定于I 2和匝数比1

2n n ；③因此,动态分析的思路程序是U 1→U 2→I 2→I 1。 课外阅读

直流输电

人类历史上最早的输电线路输送的是直流。美国爱迪生电灯公司在美国发展了一整套为白炽灯供电的直流电发电、配电系统,先用120伏,后改用240伏供电。