GCSE 科學/變壓器
變壓器是利用感應將高交流電壓轉換為低交流電壓或反之的裝置。它們是非常重要的裝置，而且（更重要的是）是考官的最愛。在本頁中，您將瞭解變壓器的原理及其應用。您還將學習如何使用一些簡單的公式來計算輸出電壓和電流。
本節沒有新的內容需要學習。您已經學習過GCSE 科學/電流的磁效應和GCSE 科學/感應。本節使用這兩個頁面中的知識來理解變壓器。
最簡單的變壓器由一個軟鐵芯組成，兩個獨立的線圈繞在鐵芯上。第一個線圈稱為初級線圈，連線到交流電源。另一個線圈稱為次級線圈，連線到輸出端。
初級線圈中的電流產生磁場。它只是一個電磁鐵，但由於電流是交流電，所以磁場一直在變化。如果我們考慮軟鐵芯的一端，它先是北極，然後磁場越來越弱，直到變為零，然後它開始增強，這端變為南極。這個過程不斷重複，這端又變成北極。
現在讓我們考慮一下次級線圈中發生了什麼。初級線圈的磁場穿過次級線圈，更重要的是，磁場一直在變化。這個變化的磁場在次級線圈中感應出電流。因此，即使線圈沒有物理連線，一個線圈中的電流也會引起另一個線圈中的電流。
如果你想象磁力線，它們會隨著磁場增強和減弱而脈動。當磁場變弱時，它們會向內掃過，切割次級線圈。
Q1) 如果在初級線圈中使用直流電，次級線圈中的電流會是什麼樣的？ - 初級線圈中的直流電不會在次級線圈中產生任何電流。
變壓器用於改變電壓。如果次級線圈的匝數多於初級線圈的匝數，則次級線圈的電壓將高於初級線圈的電壓。這稱為升壓變壓器。相反，如果次級線圈的匝數少於初級線圈的匝數，則電壓將降低，這稱為降壓變壓器。
你的老師可能會給你演示一個變壓器。（有關如何設定簡單變壓器的詳細資訊，請參閱這裡）。觀察下面的圖。
第二個線圈在一個獨立的軟鐵芯上。這個鐵芯可以靠近初級線圈。在較遠的距離，燈泡是熄滅的，但是當線圈彼此靠近時，它們突然相互吸引（初級線圈是一個強大的電磁鐵）。一旦兩個鐵芯粘在一起，次級線圈中的燈泡就開始發光。燈泡的亮度取決於次級線圈的匝數。匝數越多，燈泡越亮。
關於變壓器，有兩件事你需要記住。
- 次級線圈中的電壓取決於初級線圈中的電壓以及次級線圈和初級線圈匝數之比。
- 如果我們稱
- 初級線圈中的電壓和匝數為 Vp 和 Np
- 次級線圈中的電壓和匝數為 Vs 和 Ns
- 那麼
- Vs/Vp= Ns/Np
- 或者，重新排列
- Vs= Vp * Ns/Np
- 類似地，次級線圈中的電流取決於初級線圈中的電流以及次級線圈和初級線圈匝數之比。但是，電流與匝數成反比。
- 如果我們稱
- 初級線圈中的電流和匝數為 Ip 和 Np
- 次級線圈中的電流和匝數為 Is 和 Ns
- 那麼
- Is/Ip= Np/Ns
- 或者，重新排列
- Is= Ip * Np/Ns
- 初級線圈的功率等於次級線圈的功率（假設變壓器是完美的）。這是因為能量既不會被創造也不會被消滅。
- IpVp = IsVs
因為次級線圈中的電壓取決於匝數，所以我們可以使用變壓器將一個電壓轉換為另一個電壓。例如，假設初級線圈有 300 匝線圈，次級線圈有 900 匝線圈。這個變壓器將把電壓提高 3 倍。因此，如果初級線圈施加 2V 電壓，次級線圈將有 6V 電壓。
降壓變壓器與升壓變壓器相反。假設初級線圈有 900 匝，次級線圈有 450 匝。這次，次級線圈上的電壓是初級線圈上的電壓的一半。因此，如果初級線圈施加 2V 電壓，次級線圈將只有 1V 電壓。
關於變壓器的題目通常是以下形式：“一個線圈在軟鐵芯上繞有 3000 匝線圈。另一個線圈有 12000 匝，與第一個線圈接觸。這個第二個線圈連線一個 12V 的燈泡，構成一個電路。應該在第一個線圈上施加多少電壓？"
要回答這樣的問題，
- 確定哪個是初級線圈，哪個是次級線圈 - 在這種情況下，3000 匝線圈是初級線圈，12000 匝線圈是次級線圈
- 確定是升壓變壓器還是降壓變壓器 - 在這種情況下，這是一個升壓變壓器，因為次級線圈的匝數比初級線圈多。
- 計算一個乘數 - 在這種情況下，12000/3000 = 4
- 使用這個乘數來計算所需的電壓 - 次級線圈必須提供 12V，所以初級線圈必須是 12V/4 = 3V
變壓器最重要的應用是輸送交流電。電纜的功率損耗 = I2R，其中 I 是電流，R 是電阻。幾乎無法降低電阻，所以為了儘可能減少因電纜發熱而造成的能量損失，需要儘可能降低電流。這是透過使用升壓變壓器來實現的，升壓變壓器將電壓提高到幾千伏。因為功率是電壓乘以電流，所以對於給定的功率值，高電壓意味著低電流。（注意變壓器不遵循歐姆定律）。在配電網路的另一端，使用另一個變壓器將電壓降下來，這樣進入家庭和工廠的電壓就不會過高。