Виртуальная лабораторная работа. Изучение работы трансформатора

Школьная программа по физике предполагает знание таких тем, как "Преобразование переменного тока" и "Трансформатор".  Однако уровень владения учащимися понятиями темы четко не определен, размыт. Так в белорусской программе по физике издания 2009г. сказано: учащийся должен... знать и понимать смысл физического понятия "трансформатор", владеть решением задач на определение коэффициента трансформации.

Непонятно, почему  в рамках темы нет никаких требований на более низком уровне представления. Неясно, что должен уметь учащийся по теме "трансформатор"?

Казалось бы, что среди простейших требований к учащимся (на уровне представления) должны были бы быть:

определение трансформатора, схема, условное обозначение на электрических схемах, представление о строение простейшего трансформатора.

На уровне умения от учащихся можно потребовать умение описывать и объяснять принцип работы  трансформатора, а также основные режимы работы трансформатора: (холостой ход, рабочий ход, режим короткого замыкания).

На уровне "владеть" - практическими умениями решать задачи с использованием формул, характеризующих работу идеального трансформатора:

формулы-определения коэффициента трансформации для трансформатора напряжения: k = N₁ / N₂ ;

связи числа витков в обмотках с напряжением на них: N₁ / N₂ = U₁ / U₂ ;

связи между числом витков и токами в обмотках нагруженного трансформатор (рабочий режим): N₁ / N₂ = I₂ / I₁ ;

КПД трансформатора: η = (P₂ / P₁)∙ 100% , где P₂ и P₁ - мощности на выходе (передаваемая во внешнюю цепь) и входе трансформатора соответственно.

Подытоживая, заметим, удивительно, что ничего это нет в современной белорусской программе по физике. А ведь знание этих закономерностей требуется как для решения задач из самого школьного учебника, так и на централизованном тестировании по физике (ЦТ). (Из приведенного примера хорошо видно, что ни о каком качественном образовании говорить не приходится, факт его снижения слишком очевиден!)

Управление лабораторной работой:

• С помощью стрелок можно изменять число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
• С помощью левого выключателя подается напряжение на первичную обмотку трансформатора.
• С помощью правого выключателя вторичная обмотка подключается к нагрузке.
• Для изменения нагрузки на вторичную обмотку используется реостат. Перемещение ползунка в крайнее верхнее положение позволяет наблюдать режим короткого замыкания.
• В верхней части флэш-ролика расположены два амперметра и два вольтметра для съема показаний силы тока и напряжения с первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Проблема взаимодействия катушек трансформатора

Во всех учебниках найдем примерно следующее описание основ работы трансформатора. Магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию стержня практически без потерь (без рассеивания) пронизывает витки вторичной обмотки. Поскольку магнитный поток во вторичной обмотке изменяется со временем, то согласно закону Фарадея в ней возбуждается ЭДС индукции. И если не обращать внимание на потери магнитного потока в стержне, то фарадеевская ЭДС индукции, что возникает в каждом витке вторичной обмотки, будет такой же, как и ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки (на самом деле в первичной обмотке ЭДС индукции является ЭДС самоиндукции - В.Ш. Эта неточность имеется и в белорусском учебнике физики издания 2010г.)  

Читаем в учебниках подобные рассуждения о принципе работы трансформатора  и, казалось бы все ясно. Но посмотрим чуть подробнее и глубже. Две катушки находятся в одинаковых условиях в общем магнитном поле. Пусть катушки будут идеальные (сопротивление  равно нулю) и совершенно одинаковые, т.е. имеют одинаковое число витков, а значит и ЭДС в них одинаковые. (Только ЭДС первой катушки называется ЭДС самоиндукции, а ЭДС второй катушки ─ просто ЭДС индукции.) Замкнем накоротко выводы второй катушки. Очевидно, по ней потечет такой же переменный ток как в первичной катушке благодаря общему сердечнику, который сосредотачивает в себе магнитное поле, не дает ему "расползаться".  Этот ток, в свою очередь, вызовет появление своего, нового магнитного поля, естественно, такого же по величине как поле первой катушки. Но ЭДС индукции возникшего поля второй катушки имеет знак, противоположный знаку ЭДС внешнего источника, подсоединенного к первой катушке. А коли так, индукционный ток во второй катушке будет направлен противоположно току первой катушки. Магнитное поле второй катушки вычитается из магнитного поля первой катушки, и в сумме они дают нуль. Да, да, именно нуль! Так происходит в любом трансформаторе. Энергия передается из первой катушки во вторую, но при этом в пространстве, окружающем обе катушки, нет никакого поля: ни магнитного, ни электрического. (В реальных трансформаторах магнитное поле все-таки есть. Но это так называемое поле рассеяния, возникающее из-за того, что катушки всегда немного неодинаковы.) Как же все-таки взаимодействуют катушки? Какова причина возникновения ЭДС и тока во вторичной катушке? Ведь ток во второй катушке все-таки протекает. Причем ток ─ это объективная величина, его можно измерить амперметром!

Итак, еще раз. Получается, если рассуждать, пользуясь понятиями ЭДС, силы тока, магнитной индукции, то иначе как чудом только что рассмотренную ситуацию не назовешь. Действительно, вторая катушка замкнуто накоротко и полностью изолирована от внешнего мира. В окружающем ее пространстве ничего нет: ни электрического, ни магнитного поля. Тем не менее, ЭДС в ней существует, и ток через нее протекает!

Вот такая пока непреодолимая трудность возникает при попытке объяснения взаимодействия катушек трансформатора. Хоть явных нарушений физических законов тут не видно, но должна быть какая-то причина появления ЭДС и тока во второй катушке.

А как вы, читатели, полагаете можно было бы разрешить данную проблему?

            Ждем ваших комментариев!

            Р.S. Продолжение будет...

Использовать on-line: трансформатор

Скачать:  transformer.swf [16.39 Kb] (cкачиваний: 353)