变压器探究实验的创新设计
2020-07-01梁振华
梁振华
(德清县第一中学 浙江 湖州 313200)
变压器作为电磁感应规律应用的装置被广泛运用于生产生活中，因此以变压器为载体的相关问题常常用来考查学生运用电磁感应规律进行建模、探究、论证等物理学科核心素养．“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”演示实验为学生提供了真实的科学探究情景，教师可以通过实验引导学生开展科学探究、模型建立、科学论证．但是由于学校实验室提供的教学用可拆式变压器不是理想变压器，存在漏磁等能量损失较大的问题，实验结果电压比不等于匝数比，不能得到与理论分析相符合的结果．因此很多教师会选择少做或不做变压器相关实验，以理论分析和题目讲解为主．学生缺乏亲身经历科学探究与论证的过程，只会对理想变压器问题运用相关规律解决计算问题，而对于非理想变压器问题往往会盲目地套用公式计算，忽视了非理想变压器由于各种原因而产生的电能损耗，没有分析、论证问题的情景是否满足理想变压器条件．
笔者对课本实验进行了改进，用两种不同类型的变压器，在课堂教学中引导学生探究直线变压器原副线圈电压与匝数的关系，提出变压器的理想化条件，利用环形变压器探究理想变压器原副线圈电压与匝数的关系．
1 实验装置
本实验中采用了能量损失很小的高导磁率铁芯的环形变压器模拟演示理想变压器原副线圈电压与匝数的关系，同时还自制了直线变压器探究非理想变压器原副线圈电压与匝数的关系．如图1所示，整个实验装置一体化设计，提高了实验的便捷性．
图1 自制变压器探究实验装置
2 装置特点
2.1 环形变压器
环形变压器铁芯采用冷轧晶粒取向的硅钢片整带沿着“取向”方向卷制而成，没有接缝，磁路封闭，因此其漏磁小；环形铁芯磁通密度高，绕组所需匝数少，线圈内阻低，大大降低了铁损、铜损．
在本实验中定制了使用优质铁芯、较粗铜线绕制的环形变压器，如图2所示，可以尽可能地减少漏磁、铁损、铜损而带来的电能损失．环形变压器原线圈匝数为200匝和400匝，副线圈匝数分别为50匝、100匝、200匝．
图2 环形变压器
2.2 直线变压器
用长条形硅钢片叠合成柱形铁芯，在两个由3D打印的线框骨架上绕上一定匝数的漆包铜线作为变压器的原、副线圈，如图3所示，其中原线圈匝数800匝，副线圈匝数200匝．原、副线圈套在铁芯上后可左右移动，可以探究原、副线圈电压之比与原、副线圈之间距离的关系，观察漏磁对变压器工作效率的影响．
图3 直线变压器
2.3 数字显示交流电压表
为了使原、副线圈两端电压读数更为方便、测量更为精确，本实验装置采用了高精度单相交流数字电压表(图4)，精度等级为0.5级．课堂演示时教师和学生可以清晰、直观地观察电压表示数．
图4 数显交流电压表
2.4 接插件方式连接
导线的连接采用了香蕉头接插件连接方式，可以使实验中的连接导线过程更为便捷．
3 实验过程与数据处理
将装置连接220 V交流电源，打开开关，使交流电压表工作；将学生电源交流输出连接至实验装置原线圈两端，两个交流电压表分别连接变压器相应的原、副线圈两端，通过调节学生电源输出电压改变原线圈两端电压．
3.1 探究直线变压器原线圈和副线圈电压与匝数的关系
当交流电压表连接至直线变压器原、副线圈时，可探究直线变压器原、副线圈电压与匝数的关系．
(1)将直线变压器上的两个原、副线圈相互紧贴，改变原线圈两端电压，实验数据如表1所示．
表1 直线变压器原、副线圈距离d=0 匝数比n1∶n2=4
通过对数据的计算后发现，直线变压器原、副线圈电压比与匝数比不相等，而且相差较大．
(2)改变直线变压器原、副线圈之间的距离，保持原线圈电压不变，实验数据如表2所示．
表2 改变直线变压器原、副线圈距离 匝数比n1:n2=4
直线变压器原、副线圈电压比随着线圈之间距离的增大而增大，可引导学生分析直线变压器由于漏磁，能量损失较大，电压比大于匝数比，并且相差较大．
3.2 探究理想变压器原线圈和副线圈电压与匝数的关系
环形变压器使用闭合铁芯极大地减少了漏磁现象，可用来探究理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系．表3～表5是利用环形变压器探究理想变压器原、副线圈电压与匝数关系的数据记录与处理．
表3 原线圈匝数n1=400，副线圈匝数n2=200，匝数比n1∶n2=2时的实验数据
表4 原线圈匝数n1=400，副线圈匝数n2=50，匝数比 n1∶n2=8时的实验数据
表5 原线圈匝数n1=200，副线圈匝数n2=50，匝数比n1∶n2=4时的实验数据
通过对实验数据的分析，可以发现利用环形变压器探究理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系时，电压比近似等于原、副线圈匝数比，并且误差较小．
4 结束语
通过直线变压器探究非理想变压器、环形变压器探究理想变压器的原、副线圈匝数比与电压比之间的关系，让学生观察理想变压器与非理想变压器的实验现象、亲身经历科学探究与论证的过程，培养学生物理学科核心素养．
