33-06. Трансформатор.

Данная работа позволяет подробно изучить работу электротрансформатора. Вам предстоит собрать схему и исследовать работу трансформатора в трех основных режимах: режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим работы под нагрузкой, варьируя входное напряжение, число витков в катушках и тип сердечника и сравнивая полученный результат с теоретическим расчетом.  

Теоретический минимум: трансформатор, первичная и вторичная обмотка, сердечник, коэффициент трансформации, повышающий трансформатор, понижающий трансформатор, ток, напряжение, сопротивление, мощность, переменное напряжение, индуктивность, магнитное поле, магнитный поток, закон электромагнитной индукции, закон Фарадея, токи Фуко, электрическая схема, режим холостого хода, режим короткого замыкания, рабочий режим трансформатора.

Лабораторная работа рекомендуется для учащихся 9 классов.

 


Краткое методическое описание.

Описание экспериментальной установки:

  1.  Источник переменного напряжения семипозиционный от 2 до 15 В (2, 4, 6, 8, 10, 12, 15 В).
  2. Две идентичные обмотки трансформатора (140 витков, 0.2 Ом, максимальный ток 10 А). Каждая обмотка имеет 6 выводов, соединенных с обмотками трансформатора с интервалами 14, 28, 42, 28 и 28 витков соответственно.
  3. Два разъёмных металлических сердечника: сплошной (серый) и слоистый (синий), устанавливаемых на зажимный штатив.
  4. Четыре мультиметра.
  5. Реостат, 10 Ом, 5.7 А.
  6. Соединительные провода, 10 шт.

Порядок выполнения лабораторной работы:

Задание 0. Демонстрационное.

Посмотреть изменение тока в катушке при движении магнита внутри неё.

Задание 1А.
  1. Собрать схему для режима «Холостой ход», для трансформатора использовать слоистый (синий) сердечник, количество витков на первичной и вторичной обмотках равно 140 и не меняется.
    33 06 picture blank work
  2. Провести серию измерений напряжения во вторичной цепи в зависимости от напряжения в первичной цепи, изменяя напряжение на источнике с 2 до 15 В. Заполнить таблицу 1.

     
    U, В U1, В I1, А U2, В KU, 1
    ... ... ... ... ...


  3. Вычислить коэффициент трансформации по формуле KU=U1/U2 и добавить результаты в таблицу 1.
  4. Сравнить полученные результаты с KN=N1/N2.
  5. Разъединить сердечник на две части и убрать верхнюю часть (сердечник разомкнутый), количество витков на первичной и вторичной обмотках остаётся неизменным и равно 140.
  6. В первичную цепь добавить реостат, как в схеме для режима «Короткое замыкание (см. задание 2А, п.1), установив максимальное сопротивление 10 Ом.
  7. Повторить пункты 2-4.
  8. В трансформаторе поменять слоистый (синий) сердечник на сплошной (серый), количество витков на первичной и вторичной обмотках остаётся неизменным и равно 140, в первичной цепи реостат с сопротивлением 10 Ом.
  9. Повторить пункты 2-4.
  10. Построить график зависимости U2(U1).
  11. Сравнить полученные результаты для сплошного, слоистого и разомкнутого сердечника. Объяснить, почему результаты различаются между собой.
  12. Дополнительно можно провести серию измерений для сердечника, две части которого разделены одним или несколькими слоями бумаги. Сравнить результаты с предыдущими.
Задание 1Б.
  1. Собрать схему для режима «Холостой ход» (см. задание 1А, п.1), напряжение на источнике питания 2В, количество витков в первичной обмотке равно 140.
  2. Провести серию измерений напряжения во вторичной цепи в зависимости от количества витков во вторичной обмотке (от 14 до 140). Заполнить таблицу 2.

    Таблица 2. Экспериментальные данные.
    N2, 1 U1, В I1, А U2, В KN, 1 KU, 1
    ... ... ... ... ... ...


  3. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KU=U1/U2 и добавить результаты в таблицу.
  4. Снова установить количество витков во вторичной обмотке равным 140.
  5. Провести серию измерений напряжения во вторичной цепи в зависимости от количества витков во первичной обмотке (от 14 до 140). Заполнить таблицу 2, где вместо N2 записывать N1.
  6. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KU=U1/Uи добавить результаты в таблицу.
  7. Построить графики зависимости K(N2) и K(N1), соответственно.
  8. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 2А.
  1. Собрать схему для режима «Короткое замыкание», количество витков на первичной и вторичной обмотках равно 140 и не меняется.
    33 06 picture short circuit 2
  2. Провести серию измерений тока во вторичной цепи от тока в первичной цепи, регулируя ток в цепи с помощью реостата (I2 от 0.2 до 0.9 А с шагом 0.5 А). Заполнить таблицу 3.

    Таблица 3. Экспериментальные данные.
    U, В U1, В I1, А U2, В I2, А KI, 1
    ... ... ... ... ... ...


  3.  Вычислить коэффициент трансформации по формуле KI=I2/Iи добавить результаты в таблицу.
  4. Построить график зависимости I2(I1).
  5. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 2Б.
  1. Электрическая схема такая же, как в предыдущем задании, напряжение на источнике питания 2В, количество витков в первичной обмотке равно 140.
  2. Провести серию измерений тока во вторичной цепи в зависимости от количества витков во вторичной обмотке, регулируя ток в первичной цепи с помощью реостата так, чтобы он был равен 1 А. Заполнить таблицу 4.

    Таблица 4. Экспериментальные данные.
    N2, 1 U1, В I1, А U2, В I2, А KN, 1 KU, 1
    ... ... ... ... ... ... ...


  3. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KI=I2/I1 и добавить результаты в таблицу.
  4. Снова установить количество витков во вторичной обмотке равным 140.
  5. Провести серию измерений тока во вторичной цепи в зависимости от количества витков в первичной обмотке, регулируя ток в первичной цепи с помощью реостата так, чтобы он был равен 1 А. Заполнить таблицу 4, где вместо N2 записывать N1.
  6. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KN=N1/N2 и KI=I2/I1  и добавить результаты в таблицу.
  7. Дополнить графики K(N2) и K(N1) из задания 1Б.
  8. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 3А.
  1. Собрать схему для режима «Рабочий режим», количество витков на первичной и вторичной обмотках равно 140 и остаётся неизменным.
    33 06 picture load regime
  2. Провести серию измерений зависимости тока во вторичной цепи от тока в первичной цепи, изменяя токи с помощью реостата. Внести данные в таблицу 5.

    Таблица 5. Экспериментальные данные.
    U1, В I1, А U2, В I2, А KU, 1 KI, 1
    ... ... ... ... ... ...


  3. Вычислить коэффициенты трансформации по формулам KU=U1/U2 и KI=I2/I1 и добавить результаты в таблицу.
  4. Построить график зависимости I2(I1).
  5. Проанализировать и сравнить полученные результаты.
Задание 3Б.
  1. Продолжить работу со схемой «Рабочий режим», напряжение на источнике 2В, количество витков в первичной обмотке равно 140, сопротивление реостата максимальное (10 Ом).
  2. Провести серию измерений напряжения и тока в первичной и вторичной цепях в зависимости от количества витков во вторичной обмотке. Заполнить таблицу 6.

    Таблица 6. Экспериментальные данные.
    N2, 1 U1, В I1, А U2, В I2, А KN, 1 KU, 1 KI, 1
    ... ... ... ... ... ... ... ...


  3. Снова установить количество витков во вторичной обмотке равным 140.
  4. Провести серию измерений напряжения и тока в первичной и вторичной цепях в зависимости от количества витков в первичной обмотке. Заполнить таблицу 6, где вместо N2 записывать N1.
  5. Построить графики зависимости K(N2) и K(N1), соответственно.
  6. Проанализировать и сравнить полученные результаты.