第33講　變壓器　遠距離輸電　實驗：探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系

第33講變壓器遠距離輸電實驗:探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系實驗: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”實驗中(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,本實驗需要用到的是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匝漆包細銅線,并將細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.實驗時,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匝進行實驗,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,實驗數(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)實驗數(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)實驗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)利用實驗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”的實驗.圖甲為變壓器的實物圖,圖乙為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,圖丙為實驗原理圖.除自耦變壓器外實驗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)實驗中電源應(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)實驗中原線圈的匝數(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)為了實驗過程中的安全,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,再接通電源進行實驗C.因為使用電壓較低,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)實驗中想通過調(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)下表為某次實驗得到的數(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:實驗數(shù)據(jù)記錄表(表盤總刻度為240U1=12V)實驗次數(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)在實驗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,實驗時,連接好電路后,應(yīng)先檢查電路連接是否正確,再接通電源進行實驗,B正確;即使使用電壓較低,為了確保實驗數(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),因此實驗中想通過調(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,在實際運用中既有漏磁(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回路的方法進行電流升流,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回路的電流還可以提高試驗回路中電流的頻率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;因為輸出電壓最大值為50V,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)電機線圈高速轉(zhuǎn)動,發(fā)電機線圈面積為S,匝數(shù)為N,勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B,t=0時刻,線圈所在平面與磁場方向垂直,發(fā)電機產(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)電機輸出的電壓為2πNBSzB.發(fā)電機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)電機產(chǎn)生的瞬時電動勢e=2πNBSnzsin(2πnzt)[解析]發(fā)電機線圈的轉(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)電機產(chǎn)生的瞬時電動勢為e遠距離輸電問題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