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人教版 高中物理 选修3-2 第6讲:变压器 远距离输电 (学生版)

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变压器 远距离输电

教学目标

1.理解变压器的工作原理及输电过程中的能量损失问题 。

2.学会运用变压器知识解决有关的综合问题。

知识梳理

变压器

1.变压器是改变交流电压的设备,互感现象是变压器工作的基础. 2.组成:

(1)变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的. (2)原线圈:与交流电源连接,也叫初级线圈. (3)副线圈:与负载连接,也叫次级线圈. 3.理想变压器

(1)电压与匝数的关系为:原、副线圈的电压之比,等于两个线圈的匝数之比,即_________. 该关系不仅适用于原、副线圈只有一个的情况,而且适用于多个副线圈的情况,这是因为理想变压器的磁通量的变化率是相同的,因而每组线圈中产生的电动势和匝数成正比.在线圈内阻不计的情况下,线圈两端电压即等于电动势,故每组线圈两端电压都与匝数成正比.

(2)电流与匝数的关系为:原、副线圈的电流与它们的匝数成反比,即______. 电流和匝数成反比的关系只适用于原、副线圈各有一个的情况,一旦有多个副线圈,该关系即不适用. (3)功率关系:理想变压器没有能量损失,输入功率等于输出功率.有:___________ ?I2??U2??I2???,即U1I1?U2I2?U2

nn(4)对原、副线圈匝数比n1确定的变压器,其输出电压U2是由输入电压决定的,U2?n2U1;在原

21n副线圈匝数比n1确定的情况下,原线圈中的输入电流I1是由副线圈中的输出电流I2决定的,

2nI1?n2I2(I2由所接负载而定).

1(5)动态分析:此类问题大致有两种情况:一是负载电阻不变,原副线圈的电压U1、U2,电流I1、I2,输入和输出功率P1、P2随匝数比变化而变化的情况;另一类是匝数比不变,上述各量随负载电阻变化而变化的情况.在分析时要根据题意分清变量和不变量,分清自变量和因变量,即理想变压器各物理量变化的决定因素. 4.几种常见的变压器

(1)自耦变压器:原、副线圈共用一个线圈.

(2)电压互感器:测量交流高电压,使用时,把原线圈与被测电路并联. (3)电流互感器:测量交流大电流,使用时,把原线圈与被测电路串联.

自耦变压器

电压互感器 电流互感器

电能的输送

1.输电线上的电压损失和功率损失

设输电电流为I,输电线的电阻为r,则电压损失?U?Ir,功率损失__________ 2.降低输电损耗的途径

(1)减小___________:用铜、铝来制造输电线.

(2)减小___________:远距离输电时,提高输电电压,减小输电电流,是减小电压损失和功率损失的最有效途径.

3.远距离输电过程示意图,如图所示.

4.几个常见的关系: (1)电流关系:(2)电压关系:

II1n2n?,I2?I3,3?4

I4n3I2n1UnU1n1?,U2?IR线?U3,3?3,其中n1、n2、n3、n4分别表示升压变压器的原U2n2U4n4副线圈的匝数和降压变压器的原副线圈的匝数.

2P?I2R线 (3)功率关系:P4?P1?P2?P3,P1?P2,P3?P4,P线耗,线耗线耗?P5.分析

(1)远距离输电的问题关键是分清各部分输入、输出的各个物理量及其相互关系,可先画出传输的结构示意图,通过原、副线圈的电流求出匝数比,也可通过电压关系求解.

(2)输电导线中的损耗将升压变压器与降压变压器联系起来,升压变压器副线圈中的电流、输电线上的电流、降压变压器原线圈中的电流三者相等.欧姆定律对变压器不能应用,但对导线仍然成立. (3)电压是由发电站控制,送电单位通过电压控制用户的使用;同时用户也可以通过电流或功率影响送电单位电能的输送.因此我们在计算时,应根据电压、电流、功率的决定方向依次向下一级推导,即按“发电—升压—输电线—降压—用电器”的顺序分析或逆序分析.

特色讲解

类型一:变压器的电压比,电流比及功率关系

例1.如图所示,一理想变压器原、副线圈匝数比为3∶1,副线圈接三个相同的灯泡,均能正常发光.在原线圈接有一相同的灯泡LA.灯LB.灯LC.灯LD

解析:该题主要考查变压器的工作原理——原副线圈的电流关系和电功率等内容.该题易犯的错误是:由原副线圈匝数比n1∶n2=3∶1,可知原副线圈电压之比为U1∶U2=3∶1,既然副线圈中电灯能正常发光,可知U2恰为灯的额定电压,所以原线圈中电灯两端电压U1>U额.故被烧坏而错选C.其错误是把变压器原线圈两端电压和电灯L两端电压混淆了.正确的解答应为:原副线圈中的电流之比为I1∶I2=1∶3,而副线圈中通过每灯的电流为其额定电流I额=I2/3,故IL=I1=项为A

I2=I额即灯L亦能像其他三灯一样正常发光.所以正确选3答案:A

类型二:远距离送电

例2.有条河流,流量Q=2 m·s,落差h=5 m,现利用其发电,若发电机总效率为50%,输出电压为240 V,输电线总电阻R=30 Ω,允许损失功率为发电机输出功率的6%,为满足用电的需要,使用户获得220 V电压,则该输电线路所使用的理想升压、降压变压器的匝数比各是多少?能使多少盏“220 V、100 W解析:

3

-1

P总=(

mgh)×ηt3

4

=2×1.0×10×10×5×0.5 W=5×10 W输电线上的功率损失P损=IR2

I=P损?RP总?60%R5?104?0.06=10 A?30

则升压变压器B1的原线圈电压U1=U出=240 V

PU=总2

5?104V=5×103 V

?I10

n1∶n2=U1∶U2=

240=6∶125

5?103

ΔU损=IR=10×30 V=300 V则降压器B2

3

U1′=U2-ΔU损=5×10 V-300 V=4700 V

据题意知,U2′=220 V

n1′∶n2′=U1′∶U2′=

4700=235∶11220

N=

P总?P损P灯445?10?5?10?0.06=470=

100

类型三:远程输电、变压器的构造和工作原理

例3.(2014 福建卷)图为模拟远距离输电实验电路图,两理想闫雅琪的匝数n1=n4<n2=n3,四根模拟输电线的电阻R1、R2、R3、R4的阻值均为R,A1、A2为相同的理想交流电流表,L1、L2为相同的小灯泡,灯丝电阻RL>2R,忽略灯丝电阻随温度的变化。当A、B端接入低压交流电源时( )

A.A1、A2两表的示数相同 B.L1、L2两灯泡的量度相同 C.R1消耗的功率大于R3消耗的功率 D.R2两端的电压小于R4两端的电压

解析:题图中上面部分为高压远距离输电的示意图,下面为低压输电,在输送功率一定的情况下,P=UI,U越大,I越小,则I1<I2,A项错误;低压供电时,输送电流较大,电线上的电压损失较多,灯泡两端获得电压较小,亮度较暗,B项错误,D项正确;根据电功率的公式P=耗的功率小于R3消耗的功率,C项错误。 答案:D

类型四:理想变压器

例4.(2015广东)图5为气流加热装置的示意图,使用电阻丝加热导气管,视变压器为理想变压器,原线圈接入电压有效值恒定的交流电并保持匝数不变,调节触头P,使输出电压有效值由220V降至110V。调节前后

A.副线圈中的电流比为1:2 B.副线圈输出功率比为2:1 C.副线圈的接入匝数比为2:1 D.原线圈输入功率比为1:2

IR可知,R1消

2

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