Yük altında transformatör

Öğretim programları: GCSE, Sek I/II

Tam sürümü aç ↗

Amaç

Transformatörün birincil ve ikincil devrelerindeki akımları ve güçleri karşılaştırmak ve verimini yaklaşık olarak belirlemek.

Düzenek

Bir AC gerilim kaynağı (sinüs dalgası, genlik 12 V, etkin değer 8,5 V), 50 Hz, bir ampermetre üzerinden transformatörün birincil sargısına (500 sarım) bağlıdır. İkincil devrede (250 sarım) bir ampermetre ve 3,5 V / 1 W'lık bir ampul bulunur. Transformatörün üstündeki voltmetreler birincil ve ikincil sargıdaki gerilimi gösterir; hepsi AC modundadır. Birincil devrenin ampermetresinin üstündeki wattmetre, birincil sargının çektiği gücü gösterir.

İşlem basamakları

1. Dört ölçü aletinin gösterdiği değerleri kaydedin: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. \(U_2 / U_1\) ve \(I_1 / I_2\) oranlarını hesaplayın ve bunları \(N_2 / N_1\) sarım oranıyla karşılaştırın.
3. Birincil devrenin \(P_1\) gücünü wattmetreden kaydedin ve ikincil devredeki \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) gücünü hesaplayın (ampul dirençsel bir yüktür). \(\eta = P_2 / P_1\) verimini bulun. \(P_1\) değerini \(U_1 \cdot I_1\) çarpımıyla karşılaştırın.
4. İkincil sarım sayısını 150'ye ayarlayın. Ampulün parlaklığı ve \(I_1\) akımı nasıl değişti?

Beklenen sonuç

Okunan değerler yaklaşık olarak şöyledir: \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. Birincil devredeki akım, ikincil devredeki akımdan yaklaşık olarak birincil sargıdaki gerilimin büyük olduğu oranda küçüktür: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). İkincil devredeki güç yaklaşık 1,01 W, verim yaklaşık %90'dır; kayıplar sargıların ısınmasıdır. \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A çarpımı \(P_1\) değerinden büyüktür: bu görünür güçtür ve birincil akımın bir kısmı mıknatıslanma akımıdır; bu akım enerji tüketmez, yalnızca enerjiyi bir ileri bir geri taşır. Yük altında \(U_2 / U_1\) = 0,42'dir, yani yüksüz durumdakinden belirgin biçimde küçüktür: gerilimin bir kısmı sargıların direncinde ve manyetik akı kaçağı nedeniyle kaybolur. İkincil sargıda daha az sarım olduğunda ampul daha sönük yanar ve birincil devrenin akımı da azalır.

Sorular

1. Transformatör düşürücüyse birincil sargının akımı neden daha küçüktür?
2. Ampulün tükettiği güç nereden gelir?
3. Transformatörün verimi neden %100'den azdır?

Cevaplar

1. Transformatör enerjiyi birincil devreden ikincil devreye küçük kayıplarla aktarır, bu yüzden iki devredeki güç yaklaşık olarak aynıdır. Eşit güçte gerilimi yüksek olan tarafta akım küçüktür: birincilde 146 mA'e karşı ikincilde 286 mA, yani yaklaşık 0,51'lik bir oran; bu, \(N_2 / N_1\) = 0,5'e yakındır.
2. AC kaynağından. Birincil akım çekirdekte değişken bir manyetik akı oluşturur ve bu akı, ampulden akım geçiren gerilimi indükler; böylece enerji manyetik alan aracılığıyla ikincil devreye geçer. Birincil sargının kaynaktan aldığı 1,12 W'ın yaklaşık 1,01 W'ını ampul alır.
3. Enerjinin bir kısmı sargıları ısıtır. Simülatör sargılara 2,5 Ω (500 sarım) ve 0,625 Ω (250 sarım) direnç verir; \(I^2 \cdot R\) her birinde yaklaşık 0,05 W eder ve bu, \(P_1\) ile \(P_2\) arasındaki 0,11 W'lık farkı açıklar. Gerçek bir transformatör ayrıca çelik çekirdeğinde girdap akımları ve histerezis yoluyla enerji kaybeder; simülatörün çekirdeğinde böyle kayıplar yoktur.