Трансформатор під навантаженням

Програми: GCSE, Sek I/II

Відкрити повну версію ↗

Мета

Порівняти струми і потужності в первинному та вторинному колах трансформатора й оцінити його ККД.

Установка

Джерело змінної напруги (синусоїда, амплітуда 12 В, діюче значення 8,5 В), 50 Гц, під’єднано через амперметр до первинної обмотки трансформатора (500 витків). У вторинному колі (250 витків) — амперметр і лампочка 3,5 В / 1 Вт. Вольтметри над трансформатором показують напругу на первинній і на вторинній обмотках; усі вони — в режимі AC. Ватметр над амперметром первинного кола показує потужність, яку споживає первинна обмотка.

Хід роботи

1. Запишіть показання чотирьох приладів: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Обчисліть відношення \(U_2 / U_1\) і \(I_1 / I_2\) та порівняйте їх із відношенням чисел витків \(N_2 / N_1\).
3. Запишіть потужність первинного кола \(P_1\) за ватметром і обчисліть потужність у вторинному колі \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (лампочка — активне навантаження). Знайдіть ККД \(\eta = P_2 / P_1\). Порівняйте \(P_1\) з добутком \(U_1 \cdot I_1\).
4. Установіть для параметра Витки вторинної обмотки значення 150. Як змінилися яскравість лампочки і струм \(I_1\)?

Очікуваний результат

Показання приблизно такі: \(U_1\) = 8,38 В, \(I_1\) = 146 мА, \(U_2\) = 3,55 В, \(I_2\) = 286 мА, \(P_1\) = 1,12 Вт. Струм у первинному колі менший за струм у вторинному приблизно в стільки ж разів, у скільки напруга на первинній обмотці більша: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). Потужність у вторинному колі — близько 1,01 Вт, ККД — близько 90%; втрати — це нагрівання обмоток. Добуток \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 В·А більший за \(P_1\): це повна потужність, а частина первинного струму — струм намагнічування, який не споживає енергію, а лише перекачує її туди й назад. Під навантаженням \(U_2 / U_1\) = 0,42 — помітно менше, ніж без навантаження: частина напруги втрачається на опорі обмоток і через розсіювання магнітного потоку. Коли витків на вторинній обмотці менше, лампочка світить тьмяніше, і струм первинного кола теж зменшується.

Запитання

1. Чому струм первинної обмотки менший, якщо трансформатор знижувальний?
2. Звідки береться потужність, яку споживає лампочка?
3. Чому ККД трансформатора менший за 100%?

Відповіді

1. Трансформатор передає енергію з первинного кола у вторинне з невеликими втратами, тому потужність в обох колах майже однакова. За однакової потужності в колі з вищою напругою струм менший: 146 мА в первинному проти 286 мА у вторинному, відношення близько 0,51, близьке до \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. Від джерела змінної напруги. Первинний струм створює в осерді змінний магнітний потік, а цей потік індукує напругу, яка створює струм через лампочку, тож енергія передається у вторинне коло через магнітне поле. З 1,12 Вт, які первинна обмотка бере від джерела, лампочка отримує близько 1,01 Вт.
3. Частина енергії нагріває обмотки. Симулятор задає їм опір 2,5 Ом (500 витків) і 0,625 Ом (250 витків); \(I^2 \cdot R\) дає близько 0,05 Вт у кожній, що й пояснює різницю 0,11 Вт між \(P_1\) і \(P_2\). Справжній трансформатор також втрачає енергію в сталевому осерді на вихрові струми й гістерезис; в осерді симулятора таких втрат немає.