電磁學基礎:變壓器與電能的輸送

2020-12-06 蝸牛談原理

一、變壓器

1.構造

變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成的。一個線圈跟電源連接,叫原線圈(也叫初級線圈);另一個線圈跟負載連接,叫副線圈(也叫次級線圈)。兩個線圈都是用絕緣導線繞製成的,鐵芯由塗有絕緣漆的矽鋼片疊合而成。

電壓器實物圖

2.工作原理

電流通過原線圈時在鐵芯中激發磁場,由於電流大小方向在不斷地變化,鐵芯中的磁場也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢,所以儘管兩個線圈之間沒有導線相連,副線圈也能夠輸出電流。互感現象是變壓器工作的基礎。

3.理想變壓器

如果變壓器沒有漏磁和能量損失,這樣的變壓器就是理想變壓器。在理想變壓器的原線圈兩端加交變電壓U1後,由於電磁感應的原因,原、副線圈中都將產生感應電動勢,根據法拉第電磁感應定律有:

電壓器工作原理

E1=n1ΔΦ1/Δt,E2=n2ΔΦ2/Δt。

忽略原、副線圈內阻,有:U1=E1,U2=E2。

另外,考慮到鐵心的導磁作用而且忽略漏磁,即認為在任意時刻穿過原、副線圈的磁感線條數都相等,於是又有:

ΔΦ1=ΔΦ2。

由此便可得理想變壓器的電壓變化規律為:

U1/U2=n1/n2。

電流變化規律為:I1/I2=n2/n1。

在此基礎上再忽略變壓器自身的能量損失(一般包括線圈內能量損失和鐵芯內能量損失這兩部分,分別俗稱為「銅損」和「鐵損」)有:P1=P2。

增壓電路圖

4.理想變壓器物理量間的關係

①.電壓關係:U1/U2=n1/n2,U1/n1=U2/n2=U3/n3=…。

a.理想變壓器原副線圈的端電壓跟匝數成正比,輸出電壓由輸入電壓決定。

b.當n2>n1時,U2>U1,變壓器使電壓升高,這種變壓器叫作升壓變壓器。

c.當n2<n1時,U2<U1,變壓器使電壓降低,這種變壓器叫作降壓變壓器。輸入電壓U1決定輸出電壓U2,這是因為輸出電壓U2=n2/n1U1,當U1不變時,不論負載電阻R變化與否,U2都不會改變。

②.功率關係:P原=P副輸出功率P2決定輸入功率P1,理想變壓器的輸入功率與輸出功率相等,即P1=P2,在輸入電壓U1一定的情況下,當負載電阻R增大時,I2減小,則變壓器輸出功率P2=I2U2減小,輸入功率P1也將相應減小;當負載電阻R減小時,I2增大,變壓器的輸出功率P2=I2U2增大,則輸入功率P1也將增大。

③.電流關係

①.當變壓器只有一個副線圈工作時,有:U1I1=U2I2,I1/I2=n2/n1。

②.有多個副線圈時,有P入=P出,即P1=P2+P3+P4+P5+…。

由U1I1=U2I2+U3I3+…,得到n1I1=n2I2+n3I3+…。

輸出電流I2決定輸入電流I1,在輸入電壓一定的情況下,輸出電壓U2也被完全確定,當負載電阻R增大時,I2減小,則I1相應減小;當負載電阻R減小時,I2增大,則I1相應增大。變壓器的高壓線圈匝數多而通過的電流小,可用較細的導線繞制;變壓器的低壓線圈匝數少而通過的電流大,可用較粗的導線繞制。

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