變壓器探究實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

梁振華

(德清縣第一中學(xué) 浙江 湖州 313200)

變壓器作為電磁感應(yīng)規(guī)律應(yīng)用的裝置被廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)生活中，因此以變壓器為載體的相關(guān)問(wèn)題常常用來(lái)考查學(xué)生運(yùn)用電磁感應(yīng)規(guī)律進(jìn)行建模、探究、論證等物理學(xué)科核心素養(yǎng)．“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了真實(shí)的科學(xué)探究情景，教師可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究、模型建立、科學(xué)論證．但是由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供的教學(xué)用可拆式變壓器不是理想變壓器，存在漏磁等能量損失較大的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果電壓比不等于匝數(shù)比，不能得到與理論分析相符合的結(jié)果．因此很多教師會(huì)選擇少做或不做變壓器相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以理論分析和題目講解為主．學(xué)生缺乏親身經(jīng)歷科學(xué)探究與論證的過(guò)程，只會(huì)對(duì)理想變壓器問(wèn)題運(yùn)用相關(guān)規(guī)律解決計(jì)算問(wèn)題，而對(duì)于非理想變壓器問(wèn)題往往會(huì)盲目地套用公式計(jì)算，忽視了非理想變壓器由于各種原因而產(chǎn)生的電能損耗，沒(méi)有分析、論證問(wèn)題的情景是否滿足理想變壓器條件．

筆者對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，用兩種不同類(lèi)型的變壓器，在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生探究直線變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，提出變壓器的理想化條件，利用環(huán)形變壓器探究理想變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系．

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)中采用了能量損失很小的高導(dǎo)磁率鐵芯的環(huán)形變壓器模擬演示理想變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，同時(shí)還自制了直線變壓器探究非理想變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系．如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置一體化設(shè)計(jì)，提高了實(shí)驗(yàn)的便捷性．

圖1 自制變壓器探究實(shí)驗(yàn)裝置

2 裝置特點(diǎn)

2.1 環(huán)形變壓器

環(huán)形變壓器鐵芯采用冷軋晶粒取向的硅鋼片整帶沿著“取向”方向卷制而成，沒(méi)有接縫，磁路封閉，因此其漏磁??；環(huán)形鐵芯磁通密度高，繞組所需匝數(shù)少，線圈內(nèi)阻低，大大降低了鐵損、銅損．

在本實(shí)驗(yàn)中定制了使用優(yōu)質(zhì)鐵芯、較粗銅線繞制的環(huán)形變壓器，如圖2所示，可以盡可能地減少漏磁、鐵損、銅損而帶來(lái)的電能損失．環(huán)形變壓器原線圈匝數(shù)為200匝和400匝，副線圈匝數(shù)分別為50匝、100匝、200匝．

圖2 環(huán)形變壓器

2.2 直線變壓器

用長(zhǎng)條形硅鋼片疊合成柱形鐵芯，在兩個(gè)由3D打印的線框骨架上繞上一定匝數(shù)的漆包銅線作為變壓器的原、副線圈，如圖3所示，其中原線圈匝數(shù)800匝，副線圈匝數(shù)200匝．原、副線圈套在鐵芯上后可左右移動(dòng)，可以探究原、副線圈電壓之比與原、副線圈之間距離的關(guān)系，觀察漏磁對(duì)變壓器工作效率的影響．

圖3 直線變壓器

2.3 數(shù)字顯示交流電壓表

為了使原、副線圈兩端電壓讀數(shù)更為方便、測(cè)量更為精確，本實(shí)驗(yàn)裝置采用了高精度單相交流數(shù)字電壓表(圖4)，精度等級(jí)為0.5級(jí)．課堂演示時(shí)教師和學(xué)生可以清晰、直觀地觀察電壓表示數(shù)．

圖4 數(shù)顯交流電壓表

2.4 接插件方式連接

導(dǎo)線的連接采用了香蕉頭接插件連接方式，可以使實(shí)驗(yàn)中的連接導(dǎo)線過(guò)程更為便捷．

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)處理

將裝置連接220 V交流電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，使交流電壓表工作；將學(xué)生電源交流輸出連接至實(shí)驗(yàn)裝置原線圈兩端，兩個(gè)交流電壓表分別連接變壓器相應(yīng)的原、副線圈兩端，通過(guò)調(diào)節(jié)學(xué)生電源輸出電壓改變?cè)€圈兩端電壓．

3.1 探究直線變壓器原線圈和副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系

當(dāng)交流電壓表連接至直線變壓器原、副線圈時(shí)，可探究直線變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系．

(1)將直線變壓器上的兩個(gè)原、副線圈相互緊貼，改變?cè)€圈兩端電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 直線變壓器原、副線圈距離d=0 匝數(shù)比n1∶n2=4

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，直線變壓器原、副線圈電壓比與匝數(shù)比不相等，而且相差較大．

(2)改變直線變壓器原、副線圈之間的距離，保持原線圈電壓不變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示．

表2 改變直線變壓器原、副線圈距離 匝數(shù)比n1:n2=4

直線變壓器原、副線圈電壓比隨著線圈之間距離的增大而增大，可引導(dǎo)學(xué)生分析直線變壓器由于漏磁，能量損失較大，電壓比大于匝數(shù)比，并且相差較大．

3.2 探究理想變壓器原線圈和副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系

環(huán)形變壓器使用閉合鐵芯極大地減少了漏磁現(xiàn)象，可用來(lái)探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系．表3～表5是利用環(huán)形變壓器探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)記錄與處理．

表3 原線圈匝數(shù)n1=400，副線圈匝數(shù)n2=200，匝數(shù)比n1∶n2=2時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 原線圈匝數(shù)n1=400，副線圈匝數(shù)n2=50，匝數(shù)比 n1∶n2=8時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 原線圈匝數(shù)n1=200，副線圈匝數(shù)n2=50，匝數(shù)比n1∶n2=4時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)利用環(huán)形變壓器探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系時(shí)，電壓比近似等于原、副線圈匝數(shù)比，并且誤差較小．

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)直線變壓器探究非理想變壓器、環(huán)形變壓器探究理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比與電壓比之間的關(guān)系，讓學(xué)生觀察理想變壓器與非理想變壓器的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、親身經(jīng)歷科學(xué)探究與論證的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．