Transformator pod obciążeniem

Podstawy programowe: GCSE, Sek I/II

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Porównać natężenia prądów i moce w obwodzie pierwotnym i wtórnym transformatora i oszacować jego sprawność.

Układ

Źródło napięcia przemiennego (sinusoida, amplituda 12 V, wartość skuteczna 8,5 V), 50 Hz, jest podłączone przez amperomierz do uzwojenia pierwotnego transformatora (500 zwojów). Obwód wtórny (250 zwojów) zawiera amperomierz i żarówkę 3,5 V / 1 W. Woltomierze nad transformatorem pokazują napięcie na uzwojeniu pierwotnym i na wtórnym; wszystkie przyrządy są w trybie AC. Watomierz nad amperomierzem obwodu pierwotnego pokazuje moc pobieraną przez uzwojenie pierwotne.

Przebieg doświadczenia

1. Zapisać wskazania czterech przyrządów: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Obliczyć stosunki \(U_2 / U_1\) i \(I_1 / I_2\) i porównać je ze stosunkiem liczby zwojów \(N_2 / N_1\).
3. Zapisać moc obwodu pierwotnego \(P_1\) wskazywaną przez watomierz i obliczyć moc w obwodzie wtórnym \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (żarówka jest obciążeniem oporowym). Wyznaczyć sprawność \(\eta = P_2 / P_1\). Porównać \(P_1\) z iloczynem \(U_1 \cdot I_1\).
4. Ustawić Zwoje uzwojenia wtórnego na 150. Jak zmieniły się jasność żarówki i natężenie prądu \(I_1\)?

Oczekiwany wynik

Wskazania wynoszą około \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. Natężenie prądu w obwodzie pierwotnym jest mniejsze od natężenia prądu w obwodzie wtórnym mniej więcej tyle razy, ile razy napięcie na uzwojeniu pierwotnym jest większe: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). Moc w obwodzie wtórnym wynosi około 1,01 W, a sprawność około 90%; straty to nagrzewanie się uzwojeń. Iloczyn \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A jest większy od \(P_1\): to moc pozorna, a część prądu pierwotnego to prąd magnesujący, który nie pobiera energii, tylko przepompowuje ją tam i z powrotem. Pod obciążeniem \(U_2 / U_1\) = 0,42, wyraźnie mniej niż bez obciążenia: część napięcia traci się na oporze uzwojeń i z powodu rozproszenia strumienia magnetycznego. Przy mniejszej liczbie zwojów uzwojenia wtórnego żarówka świeci słabiej, a natężenie prądu obwodu pierwotnego również maleje.

Pytania

1. Dlaczego natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym jest mniejsze, jeśli transformator jest obniżający?
2. Skąd pochodzi moc pobierana przez żarówkę?
3. Dlaczego sprawność transformatora jest mniejsza niż 100%?

Odpowiedzi

1. Transformator przekazuje energię z obwodu pierwotnego do wtórnego z małymi stratami, więc moc w obu obwodach jest mniej więcej taka sama. Przy jednakowej mocy po stronie o wyższym napięciu płynie mniejszy prąd: 146 mA w obwodzie pierwotnym wobec 286 mA we wtórnym, stosunek około 0,51, bliski \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. Ze źródła napięcia przemiennego. Prąd pierwotny wytwarza w rdzeniu zmienny strumień magnetyczny, a ten strumień indukuje napięcie, które wymusza przepływ prądu przez żarówkę, więc energia przechodzi do obwodu wtórnego przez pole magnetyczne. Z 1,12 W, które uzwojenie pierwotne pobiera ze źródła, żarówka otrzymuje około 1,01 W.
3. Część energii nagrzewa uzwojenia. Symulator przypisuje im opór 2,5 Ω (500 zwojów) i 0,625 Ω (250 zwojów); \(I^2 \cdot R\) daje około 0,05 W w każdym z nich, co wyjaśnia różnicę 0,11 W między \(P_1\) a \(P_2\). Rzeczywisty transformator traci też energię w stalowym rdzeniu na prądy wirowe i histerezę; rdzeń symulatora nie ma takich strat.