238. Новая виртуальная лабораторная работа по физике «Определение коэффициента полезного действия трансформатора» - https://efizika.ru/html5/238/index.html.
Цель работы: познакомиться с устройством и принципом работы трансформатора; экспериментально определить коэффициент полезного действия трансформатора в режиме нагрузки резистивными приемниками.
Оборудование: трансформатор лабораторный, источник переменного тока, два вольтметра переменного тока, два амперметра переменного тока, реостат, ключ, изолированные провода.
238. New virtual laboratory assignments in physics «Determination of the Transformer Efficiency» - https://efizika.ru/html5/238/indexe.html.
The purpose of the work: to study the structure and operation of a transformer; to experimentally determine the efficiency of a transformer under load with resistive receivers.
Equipment: laboratory transformer, AC power source, two AC voltmeters, two AC ammeters, rheostat, key, insulated wires.
Виртуальная лабораторная работа по физике
«Определение коэффициента полезного действия трансформатора»
Цель работы: Экспериментально исследовать зависимость коэффициента полезного действия (КПД) трансформатора от нагрузки и определить его максимальное значение.
Теоретическое введение
Трансформатор — электромагнитное устройство для преобразования переменного напряжения. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции.
Основные параметры:
-
Коэффициент трансформации (k): отношение числа витков первичной (N₁) и вторичной (N₂) обмоток.
k = N₁ / N₂ ≈ U₁ / U₂(для идеального трансформатора без нагрузки) -
Коэффициент полезного действия (КПД, η): показывает, какая часть потребляемой мощности преобразуется полезно.
η = (P₂ / P₁) * 100%
где:-
P₁ = U₁ * I₁ — мощность, потребляемая первичной обмоткой из сети (активная мощность, cos φ ≈ 1)
-
P₂ = U₂ * I₂ — полезная мощность, выделяемая на нагрузке.
-
Потери мощности в трансформаторе:
-
Потери в меди (P_Cu): тепловые потери на нагрев обмоток (зависят от силы тока: P_Cu ~ I²).
-
Потери в стали (P_Fe): потери в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи (зависят от напряжения и частоты, при U₁=const ≈ постоянны).
КПД трансформатора не является постоянной величиной. Он достигает максимума при такой нагрузке, когда потери в меди примерно равны потерям в стали.
Виртуальное оборудование
-
Источник переменного напряжения (генератор): 0-12 В, 50 Гц.
-
Лабораторный трансформатор:
-
Первичная обмотка (N₁): 600 витков
-
Вторичная обмотка (N₂): 120 витков
-
Теоретический коэффициент трансформации:
k = 600 / 120 = 5
-
-
Измерительные приборы:
-
Вольтметры переменного тока (V) — 2 шт.
-
Амперметры переменного тока (A) — 2 шт.
-
-
Нагрузка: переменный резистор (реостат).
-
Соединительные провода.
Порядок выполнения работы
Часть 1. Сборка цепи и холостой ход
-
Соберите виртуальную цепь согласно схеме:
-
Первичная цепь: Источник -> Амперметр (A₁) -> Первичная обмотка -> Вольтметр (V₁) -> Источник.
-
Вторичная цепь: Вторичная обмотка -> Амперметр (A₂) -> Реостат (нагрузка) -> Вольтметр (V₂) -> Вторичная обмотка.
-
-
Установите движок реостата в положение максимального сопротивления (разомкнутая цепь).
-
Подайте на первичную обмотку напряжение U₁ = 9 В.
-
Зафиксируйте показания приборов в режиме холостого хода (I₂ = 0):
-
U₁₀ = 9 В
-
I₁₀ = [Значение, например, 0.05 A] (ток холостого хода)
-
U₂₀ = [Значение, например, 1.85 В]
-
Часть 2. Снятие характеристик под нагрузкой
-
Плавно уменьшайте сопротивление реостата, увеличивая ток нагрузки I₂.
-
Для 7-10 различных значений силы тока I₂ (начиная от нуля и до значения, при котором U₂ уменьшается на 15-20%), снимите показания всех приборов: U₁, I₁, U₂, I₂.
-
Результаты измерений занесите в таблицу:
| № опыта | U₁, В | I₁, А | U₂, В | I₂, А | P₁ = U₁·I₁, Вт | P₂ = U₂·I₂, Вт | η = (P₂/P₁)·100% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 (х.х.) | 9.00 | 0.05 | 1.85 | 0.00 | 0.45 | 0.00 | 0.0% |
| 2 | 9.00 | 0.08 | 1.82 | 0.10 | 0.72 | 0.182 | 25.3% |
| 3 | 9.00 | 0.12 | 1.80 | 0.20 | 1.08 | 0.360 | 33.3% |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
| 8 | 9.00 | 0.45 | 1.65 | 0.70 | 4.05 | 1.155 | 71.1% |
| 9 | 9.00 | 0.55 | 1.60 | 0.80 | 4.95 | 1.280 | 64.4% |
Часть 3. Расчеты и построение графика
-
Для каждого опыта рассчитайте потребляемую мощность P₁, полезную мощность P₂ и КПД η.
-
Постройте график зависимости КПД от силы тока во вторичной цепи: η = f(I₂).
-
По графику определите максимальное значение КПД (η_max) и значение силы тока I₂_opt, при котором оно достигается.
Контрольные вопросы
-
Почему напряжение на вторичной обмотке U₂ уменьшается при увеличении нагрузки (тока I₂)?
-
Объясните, почему КПД трансформатора в режиме холостого хода равен нулю.
-
Почему КПД имеет максимальное значение, а затем уменьшается при дальнейшем увеличении нагрузки?
-
Чем обусловлены потери в меди и потери в стали? От каких величин они зависят?
-
Рассчитайте теоретический коэффициент трансформации для вашего трансформатора. Сравните его с экспериментальным значением, полученным в опыте холостого хода (
k_эксп = U₁ / U₂₀). Почему они немного отличаются? -
Где и почему в реальной жизни важно использовать трансформатор с высоким КПД, работающий вблизи оптимальной нагрузки?
Список литературы
-
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс. (Учебник) — М.: Просвещение. — § 40-41.
-
Касьянов В.А. Физика. 11 класс. (Учебник) — М.: Дрофа.
-
Савельев И.В. Курс общей физики: В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. — СПб.: Лань.
-
Трофимова Т.И. Курс физики. — М.: Академия.
-
Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. — М.: Кнорус.
