CN110111654B - 一种教学用变压器 - Google Patents
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Abstract
一种教学用变压器，属于教学用模型技术领域，是小功率低压变压器，包括第一线圈、第二线圈、第三线圈、闭合铁芯和接线柱；第一线圈两端分别设置第一接线柱和第二接线柱；第二线圈两端分别设置第三接线柱和第四接线柱；第三线圈两端分别设置第五接线柱和第六接线柱；第一线圈、第二线圈和第三线圈的匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n2大于n3；变压器主要是供实验测试用，为满足实验的需要，线圈线径设计不同于一般的变压器，在所述三个线圈中，匝数多的线圈线径反而粗些。本变压器和别的器材结合可完成电磁现象相关的二十个以上实验，效果良好。
Description
技术领域
本发明属于教学用模型技术领域，具体涉及为一种教学用变压器。
背景技术
断电自感实验、通电自感实验、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验、模仿法拉第的实验、演示电感对交流电的阻碍作用实验等都是高中物理经典的实验，“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验除了教师演示实验还被教材安排为学生实验（学生实验配套器材是一个微型变压器）。
一般学校都配置了上述五个实验所需的器材，各自配置了一个较大的电感线圈或者变压器，一定程度造成器材和经费的浪费。另外，这些实验都存在或多或少的问题，或者实验效果不佳，或者实验不够深入、不够全面。比如用学校里的“教学用可拆变压器”做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”演示实验，空载时副线圈测得的电压值不到理论预测值的80%，而该学生实验在大多数学校中是形同虚设，主要原因是，用学校器材(微型变压器)得到的实验结果与理论预测值相差太大。
法拉第电磁感应定律是高中物理的一条重要定律，但在实际教学中，限于中学实验室的条件，很难进行定量验证，教师只能结合物理学史直接介绍法拉第电磁感应定律，不利于学生的理解和掌握。
因此，希望有一种特殊的变压器，做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验时效率高（空载），里面的线圈又可供好多实验（含上述实验）共用，还可以定量验证法拉第电磁感应定律。就是通过共用变压器来节约经费，实验效果好，研究更全面（采用不同的线圈对比效果并解释等），目的是提高学生学习效果，培养实验能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种教学用变压器。
本发明实现其目的采用的技术方案如下。
一种教学用变压器，包括第一线圈、第二线圈、第三线圈、闭合铁芯和接线柱；所述第一线圈两端分别设置第一接线柱和第二接线柱；所述第二线圈两端分别设置第三接线柱和第四接线柱；所述第三线圈两端分别设置第五接线柱和第六接线柱；所述第一线圈、第二线圈和第三线圈的匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n2大于n3，n1一般不超过n3的十倍；第一线圈的线径大于或等于第二线圈线径，第二线圈线径大于或等于第三线圈线径，第一线圈的线径大于第三线圈线径。
所述闭合铁芯整体形状是“日”形或“口”形；若闭合铁芯是“日”形，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈均绕在闭合铁芯中间这条臂上；若闭合铁芯是“口”形，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈分绕在闭合铁芯的两条臂上或者都绕在其中一条臂上。
所述第一线圈、第二线圈和第三线圈是以功能作为区分，其可以是相互独立的实体，也可以公用部分线圈；例如：第一线圈的线径粗些，从线径较细的所述第二线圈分出部分匝数作为第三线圈，对应的第四接线柱和第五接线柱也可以合并；或者第三线圈线径细些，从线径较粗的所述第一线圈分出部分匝数作为第二线圈，对应的第二接线柱和第三接线柱也可以合并。
本变压器为满足实验的要求，线圈线径设计不同于一般的变压器，在所述三个线圈中，第一线圈的匝数n1是最多的，同时线径也是最大的，即匝数多的线圈线径粗些；而一般变压器是匝数多的线圈线径细些，因为匝数多的线圈是高压线圈，工作时电流小，所以线径细些。
本变压器是小功率低压变压器，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈中可任意选择其中一个为原线圈，即初级线圈，电源一般采用工频（50Hz）低压交流电源，有的实验用低压直流电源进行测试，实验时变压器实际输入功率一般不超过100W。
本变压器还包含骨架、绝缘漆等一些必要的附件。
本变压器和别的器材结合可完成电磁现象相关的二十个以上实验，可定量验证法拉第电磁感应定律，效果良好，成本也低。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图；
图中：第一线圈（1）、第二线圈（2）、第三线圈（3）、闭合铁芯（4）、接线柱（5）、第一接线柱（5a）、第二接线柱（5b）、第三接线柱（5c）、第四接线柱（5d）、第五接线柱（5e）、第六接线柱（5f）。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。
一种教学用变压器，包括第一线圈（1）、第二线圈（2）、第三线圈（3）、闭合铁芯（4）和接线柱（5）；所述第一线圈（1）两端分别设置第一接线柱（5a）和第二接线柱（5b）；所述第二线圈（2）两端分别设置第三接线柱（5c）和第四接线柱（5d）；所述第三线圈（3）两端分别设置第五接线柱（5e）和第六接线柱（5f）；所述第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）的匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n2大于n3，n1一般不超过n3的十倍；第一线圈（1）的线径大于或等于第二线圈（2）线径，第二线圈（2）线径大于或等于第三线圈（3）线径，第一线圈（1）的线径大于第三线圈（3）线径。
作为优选，所述第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）的匝数比为n1:n2:n3=4:2: 1。这样，做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验时，与最高交流输出电压约为9V（有多档电压可输出）的电源配套使用时，不管选择哪个线圈为原线圈，副线圈得到的电压都不会超过36V安全电压，从而保证学生进行课外实验或家庭实验的安全。其实，三个线圈匝数比设置灵活性较大，比如n1:n2:n3=3: 2: 1等方案也是不错的，还有，教师版变压器的三个线圈匝数比设置以及对配套电源（可采用学校中的学生电源）的要求可以更灵活些。
作为优选，第一线圈（1）的线径大于第二线圈（2）线径，第二线圈（2）线径大于第三线圈（3）线径，三个线圈的直流电阻值相差不太大。这样做“定量验证法拉第电磁感应定律”时，每次选择一个线圈与小量程电流表（电流表电阻值一般是几欧姆至上百欧姆）串联成电路，进行对比实验，可认为对比实验中闭合电路的总电阻近似相等，这样，电流表最大读数之比就反映了最大感应电动势之比。
第一线圈（1）的匝数最多，线径又最粗，所以自感系数是三个线圈中最大的。断电自感和通电自感等实验要保证实验效果良好，必须使其中一个线圈的自感系数足够大，让匝数最多的第一线圈（1）线径最粗（即自感系数最大）的一个好处是，在保证实验效果的前提下，变压器可以做得小一些，从而节约经费。
实施例1
一种教学用变压器，包括第一线圈（1）、第二线圈（2）、第三线圈（3）、闭合铁芯（4）和接线柱（5）；第一线圈（1）两端分别设置第一接线柱（5a）和第二接线柱（5b）；第二线圈（2）两端分别设置第三接线柱（5c）和第四接线柱（5d）；第三线圈（3）两端分别设置第五接线柱（5e）和第六接线柱（5f）；第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）的匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n2大于n3，n1一般不超过n3的十倍；作为优选，第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）的匝数比为n1:n2:n3=4:2:1，比如：n1＝600匝、n2＝300匝、n3＝150匝；又如：n1＝320匝、n2＝160匝、n3＝80匝。
所述第一线圈（1）的线径大于第二线圈（2）线径，第二线圈（2）线径大于第三线圈（3）线径，三个线圈的直流电阻值相差不太大。注意，并不要求三个线圈的电阻值一定相等，因为做“定量验证法拉第电磁感应定律”时，每次选择一个线圈与小量程电流表（电流表是毫安表或微安表，电阻值一般是几欧姆至上百欧姆）串联成闭合电路，进行对比实验。若第一线圈（1）、第二线圈（2）、第三线圈（3）的电阻值分别为3Ω、4Ω、5Ω，即使串联的电流表电阻仅为5Ω，那么闭合电路的总电阻分别为8Ω、9Ω、10Ω，实验精度要求不高时，还是能认为闭合电路的总电阻是近似相等的，如果电流表的电阻值较大，对所述三个线圈电阻值相差不太大的要求可放宽些。
如图1所示，所述闭合铁芯（4）整体形状是“日”形，所述第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）均绕在闭合铁芯（4）的中间这条臂上。
说明：本变压器还包含骨架、绝缘漆等一些必要的附件。
实施例2
一种教学用变压器，包括第一线圈（1）、第二线圈（2）、第三线圈（3）、闭合铁芯（4）和接线柱（5）；第一线圈（1）两端分别设置第一接线柱（5a）和第二接线柱（5b）；第二线圈（2）两端分别设置第三接线柱（5c）和第四接线柱（5d）；第三线圈（3）两端分别设置第五接线柱（5e）和第六接线柱（5f）；第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）的匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n2大于n3，n1一般不超过n3的十倍；作为优选，第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）的匝数比为n1:n2:n3=4:2:1，比如：n1＝480匝、n2＝240匝、n3＝120匝；又如：n1＝400匝、n2＝200匝、n3＝100匝。
所述第一线圈（1）的线径大于第二线圈（2）线径，第二线圈（2）线径大于第三线圈（3）线径，三个线圈的直流电阻值相差不太大。
如图2所示，所述闭合铁芯（4）整体形状是“口”形，所述第一线圈（1）、第二线圈（2）和第三线圈（3）分绕在闭合铁芯（4）的两条臂上或者都绕在其中一条臂上。
说明：本变压器还包含骨架、绝缘漆等一些必要的附件。
本技术方案具有以下的有益效果：
1.法拉第电磁感应定律是高中物理的一条重要定律，虽然已有学者提出了实验技术方案，但成本高，操作相对复杂。在高中物理实际教学中，限于中学实验室的条件，很难进行定量验证，教师只能结合物理学史直接介绍法拉第电磁感应定律，不利于学生的理解和掌握。利用本变压器结合电流表等器材可定量验证法拉第电磁感应定律，效果良好。
2. “探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验被教材安排为课堂探究实验和学生实验。但这个学生实验在大多数学校中，形同虚设，主要原因是，用学校器材（微型变压器）得到的实验结果与理论预测值相差太大。即使用学校里的“教学用可拆变压器”，空载时损耗也较大，副线圈测得的电压值不到理论预测值的80%（结果为75%左右）。而用本发明中的变压器（漏磁等损耗小）做本实验时，空载时副线圈测得的电压值达到理论预测值的99%左右。这样，总结得到理想变压器的变压比公式是水到渠成的事，可信度高。作为优选，采用匝数比n1：n2：n3＝4：2：1的变压器与最高交流输出电压约为9V（有多档电压可输出）的电源配套使用时，不管选择哪个线圈为原线圈，副线圈得到的电压都不会超过36V安全电压，从而保证学生进行课外实验或家庭实验的安全。安全性高于教材中的器材及实验方案。
同时，用本变压器在供电情形下“探究变压器线圈两端的电压”时。通过测量发现供电情形下，变压器两个副线圈的输出电压都比公式 的预测值低一截。让学生在解释现象的过程中认识到实际小型变压器与理想变压器的差别，提高解决有关实际问题的能力。
2．断电自感实验和通电自感实验是中学物理课堂必做的演示实验，用学校的2446型自感现象演示器做断电自感实验，虽然能观察到小电珠闪亮一下熄灭，但学校方案（只有一个大线圈）无法探究影响实验效果的因素。本变压器中有三个线圈，第一线圈的线径最粗，匝数又最多，自感系数最大（足够大），第三线圈的线径最细，匝数又最小，自感系数最小。变压器的三个线圈都分别在实验中进行了试验，让学生通过实验现象的分析比较中认识到，线圈的自感系数与线圈的粗细和匝数有关，线圈越粗、匝数越多，自感系数就越大。这些效果都是学校现有实验方案无法达到的。
3．学校现有实验方案只是简单演示一个电感器对交变电流的阻碍作用。因为本变压器中有三个线圈，同样可进行比较实验，实验中三个线圈对交变电流的阻碍作用相差较大，代表了三种典型情况，达到了比较完美的实验效果。4n匝的第一线圈线径粗，自感系数较大，在本实验中起到“通直流，阻交流”的作用。n匝的第三线圈线径细，自感系数较小，能允许低频交变电流通过线圈，但也有阻碍作用。2n匝的第二线圈表现出来的特性介于两者之间。
4．本变压器和别的器材结合可完成电磁现象相关的二十个以上实验，包括探究感应电流的产生条件（磁铁靠近线圈）、探究感应电流的产生条件（模仿法拉第的实验）、探究判定感应电流方向的方法（楞次定律）、定量探究法拉第电磁感应定律（一）、定量探究法拉第电磁感应定律（二）、断电自感现象探究（一节干电池点亮220V的照明灯）、断电自感现象探究（安全体验电击实验）、断电自感现象探究（小灯泡实验方案）、探究影响断电自感效果的因素、通电瞬间自感现象的探究实验、探究电感器对交变电流的阻碍作用、断电互感现象探究（一节干电池点亮220V的照明灯）、断电互感现象探究（安全体验电击实验）、通电瞬间互感现象探究（跳环实验）、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系、升压供电实验、降压供电实验、探究变压器接直流电源时能不能传输电能、供电情形下探究变压器线圈两端的电压、漏磁情形下探究变压器线圈两端的电压、利用“霍尔效应”探究通电螺线管的磁感应强度跟电流的关系、探究通电螺线管（环形电流）周围的磁场方向等等。这里的大部分实验在高中物理教材中并没有安排，是为帮助学生掌握相关知识点而专门设计的方案（变压器的设计方案是关键）。因为好多实验共享这个变压器，所以大大节约了费用。
本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种教学用变压器，其特征在于，包括第一线圈(1)、第二线圈(2)、第三线圈(3)、闭合铁芯(4)和接线柱(5)；所述第一线圈(1)两端分别设置第一接线柱(5a)和第二接线柱(5b)；所述第二线圈(2)两端分别设置第三接线柱(5c)和第四接线柱(5d)；所述第三线圈(3)两端分别设置第五接线柱(5e)和第六接线柱(5f)；所述第一线圈(1)、第二线圈(2)和第三线圈(3)的匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n2大于n3，n1不超过n3的十倍；第一线圈(1)线径大于第二线圈(2)线径，第二线圈(2)线径大于第三线圈(3)线径。
2.如权利要求1所述的一种教学用变压器，其特征在于，所述闭合铁芯(4)整体形状是“日”形或“口”形；若闭合铁芯(4)是“日”形，所述第一线圈(1)、第二线圈(2)和第三线圈(3)均绕在闭合铁芯(4)中间这条臂上；若闭合铁芯(4)是“口”形，所述第一线圈(1)、第二线圈(2)和第三线圈(3)分绕在闭合铁芯(4)的两条臂上或者都绕在其中一条臂上。
3.如权利要求1所述的一种教学用变压器，其特征在于，所述第一线圈(1)、第二线圈(2)和第三线圈(3)是以功能作为区分，它们是相互独立的实体。
4.如权利要求1所述的一种教学用变压器，其特征在于，变压器是小功率低压变压器，所述第一线圈(1)、第二线圈(2)和第三线圈(3)中可任意选择其中一个为原线圈，即初级线圈，电源采用工频低压交流电源或低压直流电源进行测试。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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