变压器有两个线圈绕在同一个铁芯上。第一个线圈(初级)中的交流电产生一个不断改变方向的磁场。铁芯把这个变化的磁场传到第二个线圈(次级)。
由于穿过次级的磁场一直在变化,它便在次级中感应出电压,这是电磁感应的一个例子。这个电压有多大,取决于匝数。若次级匝数多于初级,电压被升高;若匝数较少,电压被降低。电压之比与匝数之比相同。
变压器只能用交流电工作,因为恒定电流产生恒定磁场,什么也感应不出来。电网正是这样把电压升高,以在马来西亚各地高效输电,再降回来供家庭安全使用。
在 SPM 中,你应把匝数比与电压比联系起来,并解释为何需要交流电。
常见误解
- 变压器能升高直流电的电压 -> 恒定直流产生不变的磁场,感应不出电压;变压器需要交流电。
- 变压器升压时凭空产生额外能量 -> 升高电压会降低电流;除少量损耗外能量守恒。
- 铁芯把电流从一个线圈传到另一个 -> 两线圈并不电连接;铁芯传递的是变化的磁场。
背后的物理
变压器依靠互感工作。初级线圈中的交流电产生不断改变方向的磁场,软铁芯把这个变化的磁场传到次级线圈,从而在其上感应出电压。
对理想变压器而言,电压之比等于匝数之比:初级电压除以次级电压,等于初级匝数除以次级匝数,各电压单位为伏特(V)。若 1200 匝的初级接上 240 V,而次级有 60 匝,则次级电压 = 240 V ×(60 ÷ 1200)= 12 V,这是降压。
理想变压器还守恒功率,所以初级电压 × 初级电流 = 次级电压 × 次级电流,电流单位为安培(A),功率单位为瓦特(W)。实际变压器会因线圈发热、铁芯中的涡流与磁滞而损耗部分能量,所以效率 =(输出功率 ÷ 输入功率)× 100% 总是低于 100%。
在日常生活中看它
手机或笔记本电脑的充电器内含一个变压器,把 240 V 的市电降到设备可安全使用的几伏特。门铃和许多低压花园灯也以同样的方式工作。
在大得多的尺度上,国家电网离不开变压器。发电站以中等电压发电,但升压变压器会把它升到几百千伏,电才沿输电线穿越全国。
高电压意味着在相同功率下电流更小,于是耗在加热电缆上的能量少得多。在城镇和住宅附近,降压变压器再把电压降回插座使用的 240 V。
要注意变压器只能对交流电起作用。稳定的直流电产生稳定、不变的磁场,而穿过次级的不变磁场完全不会感应出电压,这正是充电器要为交流市电而设计的原因。
它在 SPM 中如何出现
在试卷二中,你常被要求说明变压器的功能,解释变化的磁场如何在次级感应出电压,并用匝数比与功率关系计算未知的电压、匝数或电流。记住没有公式表,这些关系要你自己记住。
题目常要你从给出的匝数区分升压变压器与降压变压器,并解释为什么需要交流电。结构题也可能要你建议提高效率的方法,例如采用叠片铁芯或低电阻的粗线圈。
这个课题与电磁感应以及电的产生与输送相邻,所以你应准备把变压器与“高压输电为何能减少电缆功率损耗”联系起来。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)