一种改变大家认知的ED型变压器实验现象

陈江萍 阮传志

(江苏省丹阳高级中学 江苏 镇江 212300)

1 一道物理题引发的思考

在高三物理模拟卷中遇到这样一道有关变压器的题目：ED型硅钢铁芯如图1(a)所示，其结构为三相两半拼合形成的闭合磁路，广泛应用于三相变压器、扼流圈、电抗器等电磁原件，用ED型硅钢铁芯绕制变压器，并连接成如图1(b)所示电路，原副线圈绕制匝数分别为n1和n2，原线圈输入的交流电压为U1，副线圏的输出电压为U2.现将滑动变阻器滑片向下滑动，下列说法错误的是( )

图1 题图

A.U1∶U2=n1∶n2

B.灯泡亮度变暗

C.电流表示数减小

D.用相互绝缘的硅钢片叠成ED型铁芯有利于减小涡流

题目给出的参考答案是选项A．相信多数教师依据“回字形”理想变压器的相关知识，认可这一结果，这样“照猫画虎”的结论，其实并不可靠！下面的实验探究会改变大家对这一问题的认知．

2 实验探究

2.1 实验装置

为了探究ED型变压器中磁感应线的分布情况，特制作了相应的实验装置．图2是元器件安装示意图．

图2 ED型变压器元器件安装示意图

图1中①，②,③,…为接线柱，A1,A2是两个额定电压均为3.8 V的小灯泡，L1，L2，L3，L4为线圈．L1：600匝，与①，②相接；L2：300匝，与⑤，⑥相接；L3：300匝，与③，④相接；L4：300匝，与⑦，⑧相接，交流电流表与L4串在一起．

2.2 实验过程及实验结果

将L1作为原线圈接入学生电源交流12 V输出(实测输出电压)．

实验1：L2，L3，L4均空载，观察交流电流表读数为零，用数字万用表交流电压挡测得L3和L4的输出电压U3和U4都是3.21 V，在一定的误差范围内满足

实验2：将小灯泡A1接入L3，L2和L4空载，观察现象，小灯泡A1不亮，测得L3两端电压为零，L4两端电压U′4=6.40 V，在一定的误差范围内满足

实验3：再将小灯泡A2接入L4，发现两个小灯泡亮度相同，测量小灯泡两端电压均为2.32 V．

实验4：取下小灯泡接A2，并将交流电流表短暂接入L4，此交流电流表读数为250 mA，与L3连接的小灯泡A1比实验3亮，两端电压为3.64 V(远大于实验3)．

下面将L4作为原线圈接入学生电源交流8 V输出(实测输出电压8.58 V)，重复以上实验．

实验5：L2和L3空载时输出电压分别是5.88 V和2.53 V；将A1接入L2，A1不亮，如果将A2同样接入L3，则两灯泡一样亮，测得两灯泡两端电压都为4.21 V．

2.3 实验现象分析

由电磁学的知识可知：磁和电一样也会“挤近路”，磁阻越小，导磁性越好[1]．磁阻

(1)

其中μ是材料的磁导率，S为磁路截面积，l为磁路长度.

在上述实验1中，原线圈中产生的总磁通，在左右两个磁回路磁阻相同，则两磁路分得的磁通也时刻相等(不计漏磁)，即

铁芯中形成的磁通路如图3所示．同样磁通的变化率也满足

图3 L1作为原线圈的磁通路

由法拉第电磁感应定律

代入数值得

U3∶U4∶U1=1∶1∶4

实验2中，由于A1接入，L3形成回路，小灯泡中一个10 mA的感应电流产生反向交变磁通将原交变磁通几乎都排斥到了L4一侧，即

Φ3≈0

铁芯中的磁通分布如图4所示．

图4 L3接负载后的磁通路

由于Φ3≈0，L3两端电压几近为零，所以小灯泡不亮，L4两端电压U′4满足

得

在一定的误差范围内与测量值6.40 V相等．

图5 L3和L4都接负载后的磁通路

实验4中将L4两端用交流电流表短接后，L4中有250 mA电流产生的反向磁通远比回路L3要大，会将原交变磁通的一部分排斥到L3所在磁路一侧，L1形成的交变磁通的大部分从L3一侧的铁芯通过，如图6所示．所以小灯泡变亮了(电压从原来的2.32 V升至3.64 V)．

图6 L3 接负载、L4短路后的磁通路

在实验5中由于原线圈位置变化，使得磁路发生改变，两个磁支路不再对称，测得L2和L3的输出电压分别是5.88 V和2.53 V，并不相等，L2所在磁路短，由式(1)知，其磁阻小、磁通大，线圈电压高．磁通分布如图7所示．

图7 L4作为原线圈的磁通路

图8 L2和L3都接负载后的磁通路

3 题目回顾

本文开始提到的选择题的题设情境类似实验2，小灯泡不会亮起来，更不会逐渐变暗；电流表也不会有电流变小的过程，它的电流几乎为“0”．所以题目中3个选项A,B,C都是错的．