变压器问题疑点分析

(苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006)

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置。在高中物理中，变压器是电磁感应理论的重要应用，是教学的重点和难点，也是高考命题的热点，它能够有效考查学生的知识迁移能力和灵活应用能力。为了更好地理解变压器知识、处理变压器问题，本文对变压器相关疑点问题进行分析。

在高中阶段，学生主要学习理想变压器，理想变压器就是将实际变压器理想化，忽略实际变压器中的一些次要因素，满足下列理想化条件：(1) 忽略铜损，即不考虑原、副线圈电阻。(2) 忽略铁损，即铁芯中没有损耗。(3) 忽略漏磁，即原、副线圈的磁通相等。(4) 励磁电流等于零，即要求铁芯的磁导率μ为无穷大。

我们在分析理想变压器问题时，可从实际变压器出发，再根据理想化条件去处理理想变压器的相关问题。

1 变压比和变流比公式的推导及适用条件

图1

由此可见：变压器的变压比和变流比公式是有适用条件的，变压比在有负载正常工作和空载时均成立，负载短路时由于漏阻抗压降不可忽略，公式不成立；而变流比公式只有在负载正常工作时才成立。

2 输出电路中含有理想二极管

在一些高考题或者模拟题中，变压器输出电路含有二极管问题涉及电流有效值和平均功率的求解，有些学生往往无从下手，甚至部分教师也莫衷一是。笔者认为，理想二极管虽为非线性元件，其单向导电性对交变电流起到整流的作用，但是仍采用纯电阻电路的方法处理，并不会像电感、电容一样引起电路的相位差，出现视在功率不等于平均功率的问题，因此可以从能量关系(功率关系)的角度讨论，可引入“等效电阻”的概念，对其进行等效处理。

一变压器电路如图2所示，一个理想二极管和阻值为R的负载电阻串联，接在变压器副线圈的两端，假设副线圈电压的最大值为Um,电流的最大值为Im，则此时副线圈电压和电流如图3、4所示。

图2

图3

图4

图5

A. 交流电的频率为100Hz

C. 通过副线圈电流为3A

D. 负载消耗功率为150W

图6

例2：如图7所示，在A、B间接入U1=220V的正弦交流电，通过理想变压器和二极管D1、D2给阻值R=20Ω的电阻供电，已知D1、D2为相同的理想二极管，变压器原线圈n1=110匝，n2=20匝，Q为副线圈正中央抽头，为保证安全，二极管的反向耐压值至少为U0，设电阻R上消耗的功率为P，则( )。

图7

B.U0=40V,P=80W

D.U0=40V,P=20W

图8

利用二极管的单向导电性，将交流电变成直流电就是整流，高中物理考查交流电路的问题中常见的整流方式除了半波整流(例1)，还有全波整流(例2)，此时通过电阻R的电流方向始终不变，且在整个周期内输出电路上对应的等效负载电阻始终为R,因此可根据能量关系直接求得。

3 结语

理想变压器是高中物理阶段众多理想化模型之一，教师不仅要对这些理想化模型的结构和原理了如指掌，更要熟知它们工作的实际情形，平时多注重知识的积累，选择合适的方法去解决问题，切忌盲目套用公式。

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