Трансформатор под нагрузкой

Программы: GCSE, Sek I/II

Открыть полную версию ↗

Цель

Сравнить силу тока и мощность в первичной и вторичной цепях трансформатора и оценить его КПД.

Установка

Источник переменного напряжения (синусоида, амплитуда 12 В, действующее значение 8,5 В), 50 Гц, подключён через амперметр к первичной обмотке трансформатора (500 витков). Во вторичной цепи (250 витков) — амперметр и лампочка 3,5 В / 1 Вт. Вольтметры над трансформатором показывают напряжение на первичной и на вторичной обмотке; все приборы в режиме AC. Ваттметр над амперметром первичной цепи показывает мощность, потребляемую первичной обмоткой.

Ход работы

1. Запишите показания четырёх приборов: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Вычислите отношения \(U_2 / U_1\) и \(I_1 / I_2\) и сравните их с отношением чисел витков \(N_2 / N_1\).
3. Запишите мощность первичной цепи \(P_1\) по ваттметру и вычислите мощность во вторичной цепи \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (лампочка — активная нагрузка). Найдите КПД \(\eta = P_2 / P_1\). Сравните \(P_1\) с произведением \(U_1 \cdot I_1\).
4. Задайте 150 витков вторичной обмотки. Как изменились яркость лампочки и сила тока \(I_1\)?

Ожидаемый результат

Показания примерно такие: \(U_1\) = 8,38 В, \(I_1\) = 146 мА, \(U_2\) = 3,55 В, \(I_2\) = 286 мА, \(P_1\) = 1,12 Вт. Ток в первичной цепи меньше тока во вторичной примерно во столько же раз, во сколько напряжение на первичной обмотке больше: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). Мощность во вторичной цепи около 1,01 Вт, КПД около 90%; потери — это нагрев обмоток. Произведение \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 В·А больше \(P_1\): это полная мощность, и часть первичного тока — ток намагничивания, который не потребляет энергию, а лишь перекачивает её туда и обратно. Под нагрузкой \(U_2 / U_1\) = 0,42, заметно меньше, чем без нагрузки: часть напряжения теряется на сопротивлении обмоток и из-за рассеяния магнитного потока. При меньшем числе витков вторичной обмотки лампочка светится тусклее, и ток первичной цепи тоже уменьшается.

Вопросы

1. Почему ток первичной обмотки меньше, если трансформатор понижающий?
2. Откуда берётся мощность, которую потребляет лампочка?
3. Почему КПД трансформатора меньше 100%?

Ответы

1. Трансформатор передаёт энергию из первичной цепи во вторичную с малыми потерями, поэтому мощность в обеих цепях примерно одинакова. При равной мощности на стороне с более высоким напряжением ток меньше: 146 мА в первичной цепи против 286 мА во вторичной, отношение около 0,51, близко к \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. От источника переменного напряжения. Первичный ток создаёт в сердечнике переменный магнитный поток, и этот поток наводит напряжение, которое гонит ток через лампочку, так что энергия передаётся во вторичную цепь через магнитное поле. Из 1,12 Вт, которые первичная обмотка берёт от источника, лампочка получает около 1,01 Вт.
3. Часть энергии нагревает обмотки. Симулятор задаёт им сопротивление 2,5 Ом (500 витков) и 0,625 Ом (250 витков); \(I^2 \cdot R\) даёт около 0,05 Вт в каждой, чем и объясняется разница 0,11 Вт между \(P_1\) и \(P_2\). Реальный трансформатор теряет энергию ещё и в стальном сердечнике — на вихревые токи и гистерезис; у сердечника в симуляторе таких потерь нет.