變壓器的工作原理

核心原理：電磁感應(yīng)

1. 初級(jí)線圈（輸入側(cè)）

   • 當(dāng)交流電（AC）通過(guò)初級(jí)線圈時(shí)，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)（方向與大小周期性變化）。

   • 公式：$U_1=N_1\frac{d\mathrm{\Phi }}{dt}$，其中 $U_1$ 是輸入電壓，$N_1$ 是初級(jí)匝數(shù)，$\mathrm{\Phi }$ 是磁通量。

2. 鐵芯的作用

   • 鐵芯（通常由硅鋼片疊壓而成）將磁場(chǎng)集中并傳導(dǎo)至次級(jí)線圈，形成閉合磁路，減少能量損耗。

3. 次級(jí)線圈（輸出側(cè)）

   • 交變磁場(chǎng)穿過(guò)次級(jí)線圈，根據(jù)法拉第定律，線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)（電壓）。

   • 公式：$U_2=N_2\frac{d\mathrm{\Phi }}{dt}$，其中 $U_2$ 是輸出電壓，$N_2$ 是次級(jí)匝數(shù)。

電壓變換關(guān)系

輸出電壓與輸入電壓的比值等于次級(jí)線圈匝數(shù) $N_2$ 與初級(jí)線圈匝數(shù) $N_1$ 的比值：

• 升壓變壓器：若 $N_2>N_1$，則 $U_2>U_1$（例如電力傳輸中升高電壓以減少損耗）。

• 降壓變壓器：若 $N_2<N_1$，則 $U_2<U_1$（例如家用電器將220V降至安全電壓）。

能量傳遞與守恒

• 理想變壓器（無(wú)損耗）滿足：輸入功率 = 輸出功率

  $$U_1{I}_1=U_2{I}_2?\frac{I_1}{I_2}=\frac{N_2}{N_1}$$

  • 電流與匝數(shù)成反比：升壓時(shí)電流減小，降壓時(shí)電流增大。

關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)

1. 交流電的必要性
   只有變化的電流（AC）才能產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，直流電（DC）無(wú)法工作。

2. 無(wú)直接電氣連接
   能量通過(guò)磁場(chǎng)傳遞，初級(jí)與次級(jí)線圈電氣隔離，提高安全性。

3. 實(shí)際損耗

   • 銅損：線圈電阻發(fā)熱。

   • 鐵損：鐵芯磁滯和渦流損耗（硅鋼片可減少渦流）。

   • 效率通常達(dá)95%以上（大型電力變壓器）。

應(yīng)用場(chǎng)景

• 電力系統(tǒng)：高壓輸電（110kV+）→ 區(qū)域降壓（10kV）→ 用戶端（220V/380V）。

• 電子設(shè)備：

  • 手機(jī)充電器：將220V AC降至5V DC（含整流電路）。

  • 音響變壓器：隔離雜波干擾。

• 工業(yè)控制：匹配不同設(shè)備電壓等級(jí)。

思考題

若將變壓器初級(jí)接入直流電，輸出端會(huì)發(fā)生什么？
答案：僅通電瞬間有短暫感應(yīng)電壓（因磁通量突變），之后輸出歸零（磁場(chǎng)恒定，無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）。

理解變壓器是掌握電力傳輸和電子設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其本質(zhì)是電磁場(chǎng)能量的高效轉(zhuǎn)換工具。