变压器与直流电
课程标准： GCSE, Sek I/II
实验目的¶
检验变压器能否在直流电下工作，并观察到只有当初级线圈中的电流变化时，次级线圈中才会出现电压。
实验装置¶
6 V 直流电压源通过开关和电流表接在变压器的初级线圈上（2000 匝，电阻 40 Ω）。次级线圈（1400 匝）上接有一只 3.5 V / 0.5 W 灯泡和一只DC模式的电压表。开关断开。
实验步骤¶
- 闭合开关。观察灯泡和电流表。
- 等待几秒钟。记录电流表和电压表的示数。
- 断开开关。观察灯泡。
- 降低仿真速度，重复实验，以便更清楚地看到闪光。
预期结果
闭合开关时，初级线圈中的电流在零点几秒内逐渐增大，最后稳定在约 0.15 A：电流受线圈电阻的限制。磁通量变化缓慢，感应电压很小，灯泡几乎不亮：灯丝只是刚刚发红，只有在暗处才能看出来。电流保持不变时，次级线圈上的电压表示数为 0，灯泡不亮。断开开关时，电流骤然中断，灯泡猛地一闪，亮度达到额定亮度的两倍，并在四分之一秒内熄灭：感应电流约为 0.2 A，是灯泡额定电流的 1.4 倍。次级线圈中的电压只能由变化的磁通量感应产生，所以变压器不能在直流电下工作。
初级线圈中的电流受到限制并非偶然。真实变压器的铁芯在直流电下可能饱和，断开时的强电流会按匝数的比例传到次级电路，把灯泡烧断。
问题¶
- 为什么断开开关时灯泡的闪光比闭合开关时更亮？
- 为什么闭合开关后，初级线圈中的电流不会立即上升？
- 为什么变压器只用在交流电路中？
答案
- 闭合开关时，电流和磁通量逐渐增大，磁通量的缓慢变化只能感应出很小的电压。断开开关时，0.15 A 的初级电流几乎立即停止，储存在铁芯磁场中的能量转移到次级电路：磁通量维持约 0.15 A · 2000 / 1400 ≈ 0.2 A 的电流流过灯泡，是灯泡额定电流的 1.4 倍。
- 这个线圈有 2000 匝，绕在铁芯上，因此电感很大。增大的电流产生增大的磁通量，这个磁通量在线圈中感应出阻碍电流增大的电压（自感），所以电流逐渐接近 6 V / 40 Ω ≈ 0.15 A。
- 变压器只能通过变化的磁通量传递能量；直流电产生恒定的磁通量，次级线圈上没有电压。在直流电下，初级电流也只受线圈电阻的限制：如果使用默认的 500 匝初级线圈（2.5 Ω），6 V 电压源会使约 1.9 A 的电流通过它，真实的线圈会过热。