铜线没有接上,电压怎样过去?
两组电线没有接在一起,另一边怎么还有电压?左边的交流让铁芯里的磁场不断变化,这种变化也穿过右边的线圈。接上负载才有输出电流,得到的能量仍来自左边电源。
先做两个小比较
- 沿两组电线各走一遍,看看它们有没有接在一起。
- 改变第二组线圈的圈数,比较输出电压。
把极性、励磁和损耗分别说清楚
想细看:完整观察与操作说明
沿着两根铜线各走一遍:初级绕组接电源,次级绕组接负载,两条电路互不相接。它们绕在同一条闭合铁芯的两边。变化的磁通同时穿过两个绕组,于是两个绕组都出现感应电动势。
关键是磁通变化得多快。绿色磁通曲线达到峰顶时,斜率为零,这一瞬间次级感应电压也为零。磁通过零时,曲线最陡,感应电压的绝对值最大。铁芯上绿色箭头表示磁场方向;它们不是沿铁芯搬运电荷的粒子。
每一匝链接相同的磁通,所以匝数增加,感应电压按比例增加。影片把实际画出的 24 匝初级与 12、24、48 匝次级比较。绕组不是装饰线圈,铜线的每一圈和两个端头都来自同一条连续曲线。
- 进入自由探索,用周期滑块把磁通停在峰顶,再移到过零处。比较绿色曲线的斜率与铜色电压曲线。
- 在相同输入电压和频率下,把次级从 12 匝改为 48 匝;固定负载电阻时,电压、电流和功率会一起改变。
- 断开负载。次级仍有开路电压,负载电流为零;有限励磁电感仍需要初级励磁电流。
- 接入负载并计入损耗,观察输入平均功率怎样分成负载功率、绕组铜损和铁芯损耗。
- 改为直流接通实验,拖动毫秒时间轴。电流与磁通逐渐稳定,次级电压却衰减至接近零。
自动影片中的匝数功率对照特意同步改变负载电阻,让输出功率保持相同;手动探索不会自动替你改变负载。两种条件要分开比较。
法拉第定律的负号在哪里?
规定正磁通沿左边铁芯向上、右边铁芯向下。两个绕组的绕向相反,上端均标为同名端,也就是黑点。端电压从黑点量向另一端;初级电流正方向流入黑点,次级负载电流正方向流出黑点。
e 表示沿规定绕线回路方向的感应电动势;v 表示规定端子极性的电压,两者不是用同一方向定义的量。理想绕组的端电压大小相同、符号相反。计入铜电阻后,还要区分内部感应电压与带负载的外部端电压。
影片交流稳态采用余弦相量,显示值以伏特、安培、韦伯、特斯拉、欧姆和瓦特计算;曲线磁通改用毫韦伯,横轴用毫秒。播放是慢动作,改变播放速度不改变真实的频率关系。
升压以后,电流和功率发生什么?
无损、完美耦合的理想变压器满足 V₂/V₁ = N₂/N₁。负载电流在铁芯里产生反向磁动势,电源补充初级电流,因此 N₁I₁,load = N₂I₂。这里的 I₁,load 是初级电流里供给负载的分量。
其余交流章节保留 0.5 H 励磁电感,所以初级总电流还包含励磁分量;不能把总电流的 RMS 值直接套进理想匝数关系。励磁电感在一个周期内储存、归还磁场能量,W = Lₘiₘ²/2。没有损耗时,周期平均输入有功功率仍等于负载功率。影片的理想功率对照则取无限励磁电感,明确忽略励磁电流。
24:12 的 4 V RMS 输入配 12 Ω 负载,理想输出为 2 V、1/6 A、1/3 W。改成 24:48 并把负载改为 192 Ω,输出为 8 V、1/24 A、仍然是 1/3 W。若只改变匝数而保持电阻不变,就不是相同功率的对照。
直流为何只能带来一次变化?
这段单独求解开路次级、0.5 H 初级励磁电感与总计 128 Ω 串联电阻的 4 V 直流接通。串联电阻包括外加限流电阻,不能与损耗章节的绕组电阻混为一谈。
磁通为 L i₁/N₁。接通后电流逐渐建立,次级感应电压随 exp(−t/τ) 衰减;稳定的磁通不会持续产生次级电压。真实铁芯接入未经限流的直流可能进入饱和,电流和温升都不再符合这里的线性模型。本实验不模拟饱和,也不把这一限流暂态当作实际变压器接直流的运行预测。
叠片有什么用,哪些损耗还在?
铁芯中的变化磁通也能感应局部涡流。绝缘薄片限制跨片导电回路,以抑制涡流;材料的磁滞损耗仍然存在。绕组电阻产生的铜损是另一个位置、另一种机制,按 I²R 计算。
损耗章节用初级 0.6 Ω、次级每匝 0.0125 Ω,以及跨在励磁支路上的 400 Ω 铁损等效电阻。这些是教学参数,并非厂商规格。等效铁损把磁滞与涡流等机制合并成一个周期平均损耗;没有分别拟合材料损耗、频率依赖或磁滞回线。负载开路时,铁损仍可存在。
铁芯有效截面积设为 8 × 10⁻⁴ m²,线性使用边界取 1.4 T,控制范围内不超过它。显示 84 层薄片;实体比例对应约 0.35 mm 的片间节距,绝缘缝隙为便于看清而夸张。忽略漏磁、寄生电容、绕组集肤效应、接通涌流和温升。完美耦合是一种教学近似,分置两边的实际绕组会有漏磁。
原理依据:MIT 8.02:互感与变压器、OpenStax:变压器、OpenStax:RL 电路、TDK:电感、直流暂态与叠片、Texas Instruments:功率变压器设计。模型与绘图均为本专题原创。