一種改變大家認知的ED型變壓器實驗現(xiàn)象

陳江萍 阮傳志

(江蘇省丹陽高級中學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

1 一道物理題引發(fā)的思考

在高三物理模擬卷中遇到這樣一道有關(guān)變壓器的題目：ED型硅鋼鐵芯如圖1(a)所示，其結(jié)構(gòu)為三相兩半拼合形成的閉合磁路，廣泛應(yīng)用于三相變壓器、扼流圈、電抗器等電磁原件，用ED型硅鋼鐵芯繞制變壓器，并連接成如圖1(b)所示電路，原副線圈繞制匝數(shù)分別為n1和n2，原線圈輸入的交流電壓為U1，副線圏的輸出電壓為U2.現(xiàn)將滑動變阻器滑片向下滑動，下列說法錯誤的是( )

圖1 題圖

A.U1∶U2=n1∶n2

B.燈泡亮度變暗

C.電流表示數(shù)減小

D.用相互絕緣的硅鋼片疊成ED型鐵芯有利于減小渦流

題目給出的參考答案是選項A．相信多數(shù)教師依據(jù)“回字形”理想變壓器的相關(guān)知識，認可這一結(jié)果，這樣“照貓畫虎”的結(jié)論，其實并不可靠！下面的實驗探究會改變大家對這一問題的認知．

2 實驗探究

2.1 實驗裝置

為了探究ED型變壓器中磁感應(yīng)線的分布情況，特制作了相應(yīng)的實驗裝置．圖2是元器件安裝示意圖．

圖2 ED型變壓器元器件安裝示意圖

圖1中①，②,③,…為接線柱，A1,A2是兩個額定電壓均為3.8 V的小燈泡，L1，L2，L3，L4為線圈．L1：600匝，與①，②相接；L2：300匝，與⑤，⑥相接；L3：300匝，與③，④相接；L4：300匝，與⑦，⑧相接，交流電流表與L4串在一起．

2.2 實驗過程及實驗結(jié)果

將L1作為原線圈接入學(xué)生電源交流12 V輸出(實測輸出電壓)．

實驗1：L2，L3，L4均空載，觀察交流電流表讀數(shù)為零，用數(shù)字萬用表交流電壓擋測得L3和L4的輸出電壓U3和U4都是3.21 V，在一定的誤差范圍內(nèi)滿足

實驗2：將小燈泡A1接入L3，L2和L4空載，觀察現(xiàn)象，小燈泡A1不亮，測得L3兩端電壓為零，L4兩端電壓U′4=6.40 V，在一定的誤差范圍內(nèi)滿足

實驗3：再將小燈泡A2接入L4，發(fā)現(xiàn)兩個小燈泡亮度相同，測量小燈泡兩端電壓均為2.32 V．

實驗4：取下小燈泡接A2，并將交流電流表短暫接入L4，此交流電流表讀數(shù)為250 mA，與L3連接的小燈泡A1比實驗3亮，兩端電壓為3.64 V(遠大于實驗3)．

下面將L4作為原線圈接入學(xué)生電源交流8 V輸出(實測輸出電壓8.58 V)，重復(fù)以上實驗．

實驗5：L2和L3空載時輸出電壓分別是5.88 V和2.53 V；將A1接入L2，A1不亮，如果將A2同樣接入L3，則兩燈泡一樣亮，測得兩燈泡兩端電壓都為4.21 V．

2.3 實驗現(xiàn)象分析

由電磁學(xué)的知識可知：磁和電一樣也會“擠近路”，磁阻越小，導(dǎo)磁性越好[1]．磁阻

(1)

其中μ是材料的磁導(dǎo)率，S為磁路截面積，l為磁路長度.

在上述實驗1中，原線圈中產(chǎn)生的總磁通，在左右兩個磁回路磁阻相同，則兩磁路分得的磁通也時刻相等(不計漏磁)，即

鐵芯中形成的磁通路如圖3所示．同樣磁通的變化率也滿足

圖3 L1作為原線圈的磁通路

由法拉第電磁感應(yīng)定律

代入數(shù)值得

U3∶U4∶U1=1∶1∶4

實驗2中，由于A1接入，L3形成回路，小燈泡中一個10 mA的感應(yīng)電流產(chǎn)生反向交變磁通將原交變磁通幾乎都排斥到了L4一側(cè)，即

Φ3≈0

鐵芯中的磁通分布如圖4所示．

圖4 L3接負載后的磁通路

由于Φ3≈0，L3兩端電壓幾近為零，所以小燈泡不亮，L4兩端電壓U′4滿足

得

在一定的誤差范圍內(nèi)與測量值6.40 V相等．

圖5 L3和L4都接負載后的磁通路

實驗4中將L4兩端用交流電流表短接后，L4中有250 mA電流產(chǎn)生的反向磁通遠比回路L3要大，會將原交變磁通的一部分排斥到L3所在磁路一側(cè)，L1形成的交變磁通的大部分從L3一側(cè)的鐵芯通過，如圖6所示．所以小燈泡變亮了(電壓從原來的2.32 V升至3.64 V)．

圖6 L3 接負載、L4短路后的磁通路

在實驗5中由于原線圈位置變化，使得磁路發(fā)生改變，兩個磁支路不再對稱，測得L2和L3的輸出電壓分別是5.88 V和2.53 V，并不相等，L2所在磁路短，由式(1)知，其磁阻小、磁通大，線圈電壓高．磁通分布如圖7所示．

圖7 L4作為原線圈的磁通路

圖8 L2和L3都接負載后的磁通路

3 題目回顧

本文開始提到的選擇題的題設(shè)情境類似實驗2，小燈泡不會亮起來，更不會逐漸變暗；電流表也不會有電流變小的過程，它的電流幾乎為“0”．所以題目中3個選項A,B,C都是錯的．