走出变压器与直流电关系的误区

霍金胜

(天水市第二中学 甘肃 天水 741020)

变压器与直流电的关系是中学物理课本习题中的必修题．人教版新课标《物理·选修1-1》第三章“变压器”一节中，课本习题中也有一道变压器与直流电关系的题目．

原题：为什么在变压器一个线圈中接入交流电源，就会在另一个线圈中产生电动势？变压器能够改变直流电压吗？为什么？

一般教师的解答是，如果在变压器原线圈上接上交流电源，交流电大小和方向都在周期性变化，因此原线圈中电流大小与方向也发生变化，在铁芯中产生了变化的磁场，并产生了变化的磁通量，因为通过原副线圈磁通量相同，所以穿过副线圈的磁通量也发生变化．根据法拉第电磁感应定律，在副线圈就会产生感应电动势，在用电器中产生感应电流，所以使用变压器能改变交流电压．

如果在变压器原线圈中接上恒定直流电源，那么通过原线圈是不变的电流，在铁芯中产生的是不变磁场，铁芯中的磁通量也是不变的，因此不能在副线圈产生感应电动势，用电器中不能产生感应电流，所以不能使用变压器改变直流电压．

这样的解答存在着很多的误区．

误区一：变压器接上电动势恒定的直流电源后，通过原线圈电流是恒定电流．

纯电阻电路适用于欧姆定律，即通过电阻的电流与电阻两端电压成正比，可是变压器是一个线圈，当通过线圈电流发生改变时，线圈会产生自感电动势阻碍电流的变化，因此通过线圈的电流并不与电压成正比．

设有一个变压器，为了分析简化不妨设副线圈开路(由此得出的结论与副线圈接上用电器后是相似的，并不影响分析结果)．当在原线圈接上一个电动势恒定的直流电源后，线圈自感电动势对电流起阻碍作用，因此原线圈的电流不能立即增大，而是逐渐增大．由于原线圈电流逐渐增大，铁芯中的磁通量也逐渐增大，在副线圈就会产生一个感应电动势．因此，虽然变压器原线圈接上电动势不变的直流电，但通过线圈的电流并不是恒定电流，而是逐渐增大的电流．

误区二：不能使用变压器改变直流电的原因是原线圈中磁通量不变.

根据电工学知识可知：变压器线圈中通过电流增大时，铁芯中产生的磁感应强度也同时增大．但铁芯中的磁感应强度有一个饱和值，就是当铁芯中磁感应强度增大到一定值以后就不再增大．当铁芯饱和后，铁芯中磁感应强度不变，铁芯中磁通量也不变，线圈不能产生自感电动势，线圈对电流没有阻碍作用，线圈就相当于一段导线，此时线圈中电流

式中E是电源的电动势，R是线圈电阻，r是电源内阻．由于R与r很小，所以电路中电流会很大以至于损坏电路．

因此，不能使用变压器改变直流电压的原因是由于直流电源电动势方向不变，线圈中电流持续增大，铁芯达到饱和，电路中电流过大而损坏电路．

误区三：永远都不能使用变压器改变直流电电压.

在以上分析中，变压器接上直流电源以后铁芯会饱和，然后因电路电流过大损坏电路设备．因而把直流电直接接在变压器上不能正常工作．但可以在电路中增加一些辅助装置，让线圈周期性地放电，使铁芯中的电流变为零，铁芯中的磁感应强度也恢复到零，变压器就可以持续改变直流电电压．

中学物理实验室常用的感应圈就是用这个原理制成的．图1就是实验室常用的J1206型感应圈实物图与原理图．

如图1(b)所示，感应圈接上低压直流电源以后，由于断续器的作用，开关S周期性地闭合与断开．在开关S闭合时，直流电源对原线圈充电，由于自感作用通过原线圈的电流逐渐增大，当原线圈铁芯还末达到饱和时，由于断续器作用开关S又断开，原线圈的电流强度从大很快减小到零，铁芯中的磁通量也从大很快减小到零，由于磁通量变化很快，在副线圈中产生了很大的感应电动势，一般能达到104V的数量级．这样高的电压会将副线圈空气击穿，产生火花放电现象．放电使铁芯中的电流减小到零，同时铁芯中的磁感应强度也减小到零．然后开关S又接通，又开始下一个周期，如此反复循环，感应圈就能持续改变直流电电压．

图1

因此,只要让变压器周期性地放电，让铁芯中磁感应强度减小，那么可以使用变压器改变直流电电压．但这样改变电压的方式损失大量的电能，大功率输电中不宜采用.

综上所述，课本原题正确解答如下：

变压器为什么不能改变直流电压？因为当在变压器原线圈接上直流电源以后，由于变压器线圈自感作用，通过原线圈的电流逐渐增大，当电流增大过大时，就会损坏电路．因此不能使用变压器持续改变直流电电压．

由于中学物理没有学习铁芯中的磁感应强度饱和，因此不必用铁芯磁感应强度饱和来解释．

如果变压器接上交流电源，通过线圈的电流逐渐增大，当交流电源的方向改变以后，通过线圈的电流又会减小，这样线圈电流强度不会过大而损坏电路，而且由于线圈中的电流周期性增大减小，所以铁芯中产生的磁通量也周期性的变化，就会在副线圈中产生感觉电动势，如果副线圈接上用电器，在用电器中就会产生电流．所以,使用变压器能持续改变交流电电压．