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物理實驗

變壓器

交流電流過初級線圈,鐵芯磁通把能量耦合到次級:調匝數比看升壓降壓、驗證功率守恆,再切成直流電源——為什麼變壓器對直流完全沒轍?
t = 0.00 s

初級與次級電壓波形

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

電源
初級匝數 Np
次級匝數 Ns
負載電阻 R

即時量測(振幅)

匝數比 Ns/Np
次級電壓 Vs
V
初級電流 Ip
A
次級電流 Is
A
初級平均功率 Pp
W
次級平均功率 Ps
W

實驗任務

  1. 升壓與降壓:Np=200 固定,把 Ns 調成 100、200、400, 記錄 Vs——驗證 Vs/Vp=Ns/Np。 燈泡在升壓時更亮了嗎?(小心:功率是由負載決定的。)
  2. 能量不會憑空出現:升壓到 2 倍時看電流——Ip 是 Is 的 2 倍, Pp=Ps 始終相等。變壓器交換的是「電壓×電流」的組合,不是免費能量。
  3. 直流的滑鐵盧:切到 DC——接通瞬間有個短暫脈衝,然後 Vs 歸零、燈滅。 感應需要「磁通變化」,穩定的直流磁通感應不出任何東西。 這就是為什麼電力系統的天下是交流的(特斯拉 vs 愛迪生的戰爭核心)。
  4. 為什麼輸電要高壓:紙上計算——把 10 kW 送過電阻 5 Ω 的輸電線, 用 110 V 送(I≈91 A)線損 I²R≈41 kW(比送的還多!); 升到 11 kV(I≈0.9 A)線損只剩 4 W。這就是電網要先升壓再降壓的原因。

模型與假設

模型:理想變壓器——Vs=Vp·Ns/Np、 Ip=Is·Ns/Np、Pp=Ps(無損耗)。 DC 接通時以指數衰減脈衝示意暫態,之後 dΦ/dt=0、Vs=0。
假設:磁通完全耦合(無漏磁)、鐵芯不飽和、繞組無電阻; 真實變壓器效率約 95–99%,鐵損與銅損未模擬。波形為放慢 50 倍的模型時間,數值為振幅(非 RMS)。