走出變壓器與直流電關(guān)系的誤區(qū)

霍金勝

(天水市第二中學(xué) 甘肅 天水 741020)

變壓器與直流電的關(guān)系是中學(xué)物理課本習(xí)題中的必修題．人教版新課標(biāo)《物理·選修1-1》第三章“變壓器”一節(jié)中，課本習(xí)題中也有一道變壓器與直流電關(guān)系的題目．

原題：為什么在變壓器一個(gè)線(xiàn)圈中接入交流電源，就會(huì)在另一個(gè)線(xiàn)圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)？變壓器能夠改變直流電壓?jiǎn)?？為什么?/p>

一般教師的解答是，如果在變壓器原線(xiàn)圈上接上交流電源，交流電大小和方向都在周期性變化，因此原線(xiàn)圈中電流大小與方向也發(fā)生變化，在鐵芯中產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)，并產(chǎn)生了變化的磁通量，因?yàn)橥ㄟ^(guò)原副線(xiàn)圈磁通量相同，所以穿過(guò)副線(xiàn)圈的磁通量也發(fā)生變化．根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在副線(xiàn)圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在用電器中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以使用變壓器能改變交流電壓．

如果在變壓器原線(xiàn)圈中接上恒定直流電源，那么通過(guò)原線(xiàn)圈是不變的電流，在鐵芯中產(chǎn)生的是不變磁場(chǎng)，鐵芯中的磁通量也是不變的，因此不能在副線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，用電器中不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以不能使用變壓器改變直流電壓．

這樣的解答存在著很多的誤區(qū)．

誤區(qū)一：變壓器接上電動(dòng)勢(shì)恒定的直流電源后，通過(guò)原線(xiàn)圈電流是恒定電流．

純電阻電路適用于歐姆定律，即通過(guò)電阻的電流與電阻兩端電壓成正比，可是變壓器是一個(gè)線(xiàn)圈，當(dāng)通過(guò)線(xiàn)圈電流發(fā)生改變時(shí)，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化，因此通過(guò)線(xiàn)圈的電流并不與電壓成正比．

設(shè)有一個(gè)變壓器，為了分析簡(jiǎn)化不妨設(shè)副線(xiàn)圈開(kāi)路(由此得出的結(jié)論與副線(xiàn)圈接上用電器后是相似的，并不影響分析結(jié)果)．當(dāng)在原線(xiàn)圈接上一個(gè)電動(dòng)勢(shì)恒定的直流電源后，線(xiàn)圈自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流起阻礙作用，因此原線(xiàn)圈的電流不能立即增大，而是逐漸增大．由于原線(xiàn)圈電流逐漸增大，鐵芯中的磁通量也逐漸增大，在副線(xiàn)圈就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．因此，雖然變壓器原線(xiàn)圈接上電動(dòng)勢(shì)不變的直流電，但通過(guò)線(xiàn)圈的電流并不是恒定電流，而是逐漸增大的電流．

誤區(qū)二：不能使用變壓器改變直流電的原因是原線(xiàn)圈中磁通量不變.

根據(jù)電工學(xué)知識(shí)可知：變壓器線(xiàn)圈中通過(guò)電流增大時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也同時(shí)增大．但鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度有一個(gè)飽和值，就是當(dāng)鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度增大到一定值以后就不再增大．當(dāng)鐵芯飽和后，鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，鐵芯中磁通量也不變，線(xiàn)圈不能產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，線(xiàn)圈對(duì)電流沒(méi)有阻礙作用，線(xiàn)圈就相當(dāng)于一段導(dǎo)線(xiàn)，此時(shí)線(xiàn)圈中電流

式中E是電源的電動(dòng)勢(shì)，R是線(xiàn)圈電阻，r是電源內(nèi)阻．由于R與r很小，所以電路中電流會(huì)很大以至于損壞電路．

因此，不能使用變壓器改變直流電壓的原因是由于直流電源電動(dòng)勢(shì)方向不變，線(xiàn)圈中電流持續(xù)增大，鐵芯達(dá)到飽和，電路中電流過(guò)大而損壞電路．

誤區(qū)三：永遠(yuǎn)都不能使用變壓器改變直流電電壓.

在以上分析中，變壓器接上直流電源以后鐵芯會(huì)飽和，然后因電路電流過(guò)大損壞電路設(shè)備．因而把直流電直接接在變壓器上不能正常工作．但可以在電路中增加一些輔助裝置，讓線(xiàn)圈周期性地放電，使鐵芯中的電流變?yōu)榱悖F芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度也恢復(fù)到零，變壓器就可以持續(xù)改變直流電電壓．

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室常用的感應(yīng)圈就是用這個(gè)原理制成的．圖1就是實(shí)驗(yàn)室常用的J1206型感應(yīng)圈實(shí)物圖與原理圖．

如圖1(b)所示，感應(yīng)圈接上低壓直流電源以后，由于斷續(xù)器的作用，開(kāi)關(guān)S周期性地閉合與斷開(kāi)．在開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，直流電源對(duì)原線(xiàn)圈充電，由于自感作用通過(guò)原線(xiàn)圈的電流逐漸增大，當(dāng)原線(xiàn)圈鐵芯還末達(dá)到飽和時(shí)，由于斷續(xù)器作用開(kāi)關(guān)S又?jǐn)嚅_(kāi)，原線(xiàn)圈的電流強(qiáng)度從大很快減小到零，鐵芯中的磁通量也從大很快減小到零，由于磁通量變化很快，在副線(xiàn)圈中產(chǎn)生了很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，一般能達(dá)到104V的數(shù)量級(jí)．這樣高的電壓會(huì)將副線(xiàn)圈空氣擊穿，產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象．放電使鐵芯中的電流減小到零，同時(shí)鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度也減小到零．然后開(kāi)關(guān)S又接通，又開(kāi)始下一個(gè)周期，如此反復(fù)循環(huán)，感應(yīng)圈就能持續(xù)改變直流電電壓．

圖1

因此,只要讓變壓器周期性地放電，讓鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，那么可以使用變壓器改變直流電電壓．但這樣改變電壓的方式損失大量的電能，大功率輸電中不宜采用.

綜上所述，課本原題正確解答如下：

變壓器為什么不能改變直流電壓？因?yàn)楫?dāng)在變壓器原線(xiàn)圈接上直流電源以后，由于變壓器線(xiàn)圈自感作用，通過(guò)原線(xiàn)圈的電流逐漸增大，當(dāng)電流增大過(guò)大時(shí)，就會(huì)損壞電路．因此不能使用變壓器持續(xù)改變直流電電壓．

由于中學(xué)物理沒(méi)有學(xué)習(xí)鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和，因此不必用鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和來(lái)解釋?zhuān)?/p>

如果變壓器接上交流電源，通過(guò)線(xiàn)圈的電流逐漸增大，當(dāng)交流電源的方向改變以后，通過(guò)線(xiàn)圈的電流又會(huì)減小，這樣線(xiàn)圈電流強(qiáng)度不會(huì)過(guò)大而損壞電路，而且由于線(xiàn)圈中的電流周期性增大減小，所以鐵芯中產(chǎn)生的磁通量也周期性的變化，就會(huì)在副線(xiàn)圈中產(chǎn)生感覺(jué)電動(dòng)勢(shì)，如果副線(xiàn)圈接上用電器，在用電器中就會(huì)產(chǎn)生電流．所以,使用變壓器能持續(xù)改變交流電電壓．