变压器的工作原理

核心原理：电磁感应

初级线圈（输入侧）

当交流电（AC）通过初级线圈时，产生交变磁场（方向与大小周期性变化）。

公式：U1=N1dΦdtU1​=N1​dtdΦ​，其中 U1U1​ 是输入电压，N1N1​ 是初级匝数，ΦΦ 是磁通量。

铁芯的作用

铁芯（通常由硅钢片叠压而成）将磁场集中并传导至次级线圈，形成闭合磁路，减少能量损耗。

次级线圈（输出侧）

交变磁场穿过次级线圈，根据法拉第定律，线圈中感应出电动势（电压）。

公式：U2=N2dΦdtU2​=N2​dtdΦ​，其中 U2U2​ 是输出电压，N2N2​ 是次级匝数。

电压变换关系

输出电压与输入电压的比值等于次级线圈匝数 N2N2​ 与初级线圈匝数 N1N1​ 的比值：

U2U1=N2N1

U

1​

U

2​​=

N

1​

N

2​​

升压变压器：若 N2>N1N2​>N1​，则 U2>U1U2​>U1​（例如电力传输中升高电压以减少损耗）。

降压变压器：若 N2N2​<N1​，则 U2U2​<U1​（例如家用电器将220V降至安全电压）。

能量传递与守恒

理想变压器（无损耗）满足：输入功率 = 输出功率

U1I1=U2I2I1I2=N2N1U1​I1​=U2​I2​I2​I1​​=N1​N2​​

电流与匝数成反比：升压时电流减小，降压时电流增大。

关键点总结

交流电的必要性

只有变化的电流（AC）才能产生交变磁场，直流电（DC）无法工作。

无直接电气连接

能量通过磁场传递，初级与次级线圈电气隔离，提高安全性。

实际损耗

铜损：线圈电阻发热。

铁损：铁芯磁滞和涡流损耗（硅钢片可减少涡流）。

效率通常达95%以上（大型电力变压器）。

应用场景

电力系统：高压输电（110kV+） 区域降压（10kV） 用户端（220V/380V）。

电子设备：

手机充电器：将220V AC降至5V DC（含整流电路）。

音响变压器：隔离杂波干扰。

工业控制：匹配不同设备电压等级。

思考题

若将变压器初级接入直流电，输出端会发生什么？

答案：仅通电瞬间有短暂感应电压（因磁通量突变），之后输出归零（磁场恒定，无感应电动势）。

理解变压器是掌握电力传输和电子设备设计的基础，其本质是电磁场能量的高效转换工具。