Трансформатор и постоянный ток

Программы: GCSE, Sek I/II

Открыть полную версию ↗

Цель

Проверить, работает ли трансформатор на постоянном токе, и увидеть, что напряжение во вторичной обмотке появляется только тогда, когда ток в первичной меняется.

Установка

Источник постоянного напряжения 6 В подключён через выключатель и амперметр к первичной обмотке трансформатора (2000 витков, сопротивление 40 Ом). К вторичной обмотке (1400 витков) подключены лампочка 3,5 В / 0,5 Вт и вольтметр в режиме DC. Выключатель разомкнут.

Ход работы

1. Замкните выключатель. Наблюдайте за лампочкой и амперметром.
2. Подождите несколько секунд. Запишите показания амперметра и вольтметра.
3. Разомкните выключатель. Наблюдайте за лампочкой.
4. Повторите опыт при меньшей скорости симуляции, чтобы лучше увидеть вспышки.

Ожидаемый результат

При замыкании выключателя ток в первичной обмотке нарастает постепенно, за доли секунды, и устанавливается около 0,15 А: его ограничивает сопротивление обмотки. Поток меняется медленно, наведённое напряжение мало, и лампочка едва светится — нить только начинает краснеть, что заметно лишь в темноте. Пока ток постоянен, вольтметр на вторичной обмотке показывает 0, и лампочка не горит. При размыкании выключателя ток резко обрывается, и лампочка ярко вспыхивает — вдвое ярче, чем в номинальном режиме, — и гаснет за четверть секунды: наведённый ток около 0,2 А, в 1,4 раза больше её номинального тока. Напряжение во вторичной обмотке наводит только изменяющийся магнитный поток, поэтому трансформатор не работает на постоянном токе.

Ток в первичной обмотке ограничен не случайно. Сердечник реального трансформатора на постоянном токе может насыщаться, и сильный ток при размыкании перешёл бы во вторичную цепь в той же пропорции, что и числа витков, и сжёг бы лампочку.

Вопросы

1. Почему при размыкании выключателя лампочка вспыхивает ярче, чем при замыкании?
2. Почему ток в первичной обмотке не нарастает сразу после замыкания?
3. Почему трансформаторы используют только в цепях переменного тока?

Ответы

1. При замыкании выключателя ток и магнитный поток нарастают постепенно, а медленное изменение потока наводит лишь небольшое напряжение. При размыкании первичный ток 0,15 А прекращается почти мгновенно, и энергия, запасённая в магнитном поле сердечника, уходит во вторичную цепь: поток поддерживает через лампочку ток около 0,15 А · 2000 / 1400 ≈ 0,2 А, в 1,4 раза больше её номинального тока.
2. Обмотка имеет 2000 витков на стальном сердечнике и поэтому большую индуктивность. Нарастающий ток создаёт нарастающий магнитный поток, и этот поток наводит в обмотке напряжение, препятствующее нарастанию тока (самоиндукция), поэтому ток приближается к 6 В / 40 Ом ≈ 0,15 А постепенно.
3. Трансформатор передаёт энергию только через изменяющийся магнитный поток; постоянный ток создаёт постоянный поток, и вторичная обмотка не даёт напряжения. Кроме того, на постоянном токе первичный ток ограничен только сопротивлением обмотки: с первичной обмоткой по умолчанию на 500 витков (2,5 Ом) источник 6 В прогнал бы через неё около 1,9 А, и реальная обмотка перегрелась бы.