【高分】关于变压器的几个问题

Question

1.参考资料说：当原线圈空载时，如果是理想变压器，此时电流应为0，此时原线圈不断的将外部的电能转化为磁场能，同时将磁场能又转化为电能；请问上述能量的转化如何理解？请详细描述
2.磁场能与什么有关？
3.理想变压器在接了负载的情况下，为何不能将电能一部分转化成磁场能？
★4.假设有一个理想变压器，原线圈由一个发电机做电源，该发电机的模型为高中最简单的发电机模型－－即闭合矩形线圈，该发电机由水力带动，故易知该发电机额定输出功率和正常电压(U=NBSW*2^(-1/2))都不变，又由变压器知识可知，副线圈两端电压为恒值.如今将一些用电器并联接在副线圈上，当用电器增加到一定数量的时候，所需功率大于发电机额定功率，问此时会出现什么情况？即会有什么物理量改变而导致发电机功率满足所需功率？如果是发电机将会损坏，又请问使之损坏的直接原因是什么物理量的改变？
★5：类似4，若所需功率小于额定功率，那么发电机的输出功率也应该减少，但是，水力输送的功率应是不变的，这样岂不意味着能量转化效率降低了？热能耗散增多了？如果是又如何直接的解释热能耗散问题。
6.请问下列我的表述是否正确：理想变压器的原线圈两端的电压实际上是交流电变化而产生的自感电动势，原因是：原线圈没有电阻，所以外界电源施加的电压为0，而实际电动势为自感电动势与非感应电动势叠加，故实际电动势＝感应电动势；由此推得若非理想变压器，感应电动势在电流减小时，比实际电动势小，反之亦然。

谢谢解答，满意的+分
仍存在的疑问：
1.励磁电流是什么？也就是说那个结论是总体来说的？在某些时候，是电能转化为磁场能，另外一些时候，是磁场能转化为电能，但是总的能量未转化？
3.我的意思是说电能传输到负载的过程中，为何要将全部的电能输给负载，而不是储存一部分在磁场？
按照 zcwcjj - 初入江湖 二级说的，就是和1类似，有这种情况，但总体是没有磁场能储存的？
6.我的意思是说，外界电源施加在原线圈的电阻上的电压为0，又线圈两端的电压应为“外界电源施加在原线圈的电阻上的电压”+“感应电动势”（或自感电动势），所以两端电压＝0+感应电动势＝感应电动势。

Answer 1

1.参考资料说：当原线圈空载时，如果是理想变压器，此时电流应为0，此时原线圈不断的将外部的电能转化为磁场能，同时将磁场能又转化为电能；请问上述能量的转化如何理解？请详细描述。
——理想变压器至少有两种，你那本参考书上所说的理想变压器太过理想，它需要无穷大的电感，这离实际相差太远，我们还是采取现实一些的理想变压器——它在导线上的欧姆热损失为0、在铁芯上的涡流与磁滞损失为0、漏磁为0——这样，当副线圈上空载时，原线圈上仍有微弱的励磁电流（前面说的那个无穷大电感的理想变压器就是在0电流时也能励磁，这在数学模型上可以，但在物理上是不可能的）。
凡是电流就能产生磁场（经典电磁学的核心——麦克斯韦方程组就是这么说的，它并未给出其本质原因，狭义相对论给出了一部分，量子电动力学又给出了一部分……），凡是磁场的变化就会产生蜗旋电场，而电场在有自由电荷的地方又总会形成电流。
给原线圈供电的一般都是正弦交流电压，在空载时，理想变压器的原线圈就成了一个纯电感，加在它两端的电压要比通过它的电流在相位上超前90度，之所以如此，就是因为电流增大时，电流所产生的磁场也随之增大（此时电能的一部分转变成了磁能），而增大的磁场又会产生蜗旋电场（即感应电场），正是它让电流的变化不与电源的电压同步（具体差90度相位需用到微分运算）；类似地，电流减小时，电流所产生的磁场也随之减小（此时磁能的一部分转变成了电能），而减小的磁场又会产生蜗旋电场，它继续让电流的变化不与电源的电压同步。

2.磁场能与什么有关？
——有两个常用的磁能公式：E=aBBV=LII，a是一个比例常数，B是磁感强度，V是磁场所占据的体积，L是线圈的自感系数，I是线圈上的电流。E=aBBV是基本公式，aBB成为磁能密度，它与磁感强度的平方成正比，由于磁感密度往往不是常量，所以一般不能让它与V直接相乘，要用积分运算。E=LII算是在线圈情况下的一个具体应用。

3.理想变压器在接了负载的情况下，为何不能将电能一部分转化成磁场能？
——这话有问题！变压器就是通过电磁感应来传输电能的，没有了“将电能一部分转化成磁场能”的环节，整个传输链条就在此中断了！

4.假设有一个理想变压器，原线圈由一个发电机做电源，该发电机的模型为高中最简单的发电机模型——即闭合矩形线圈，该发电机由水力带动，故易知该发电机额定输出功率和正常电压(U=NBSW*2^(-1/2))都不变，又由变压器知识可知，副线圈两端电压为恒值。如今将一些用电器并联接在副线圈上，当用电器增加到一定数量的时候，所需功率大于发电机额定功率，问此时会出现什么情况？即会有什么物理量改变而导致发电机功率满足所需功率？如果是发电机将会损坏，又请问使之损坏的直接原因是什么物理量的改变？
——U=NBSW*2^(-1/2)中的B应是总磁场的强度，总磁场包括发电机中不变的永磁铁的磁场，也包括线圈电流所产生的磁场，这一磁场是削弱永磁铁磁场的……下面不必我再罗嗦了吧？

5.类似4，若所需功率小于额定功率，那么发电机的输出功率也应该减少，但是，水力输送的功率应是不变的，这样岂不意味着能量转化效率降低了？热能耗散增多了？如果是又如何直接的解释热能耗散问题。
——“水力输送的功率应是不变的”，这是有问题的！发电机在匀速转动时，水的动力矩等于线圈电流所产生的阻力矩。负载越重，电流越大，阻力矩也越大，动力矩也就要越大（水库可通过调节水的流量以及涡轮应水面的大小来调节水的输出功率）如果，动力矩跟不上，那线圈就要减速，发电电压就要下降，电流减小……也就是说若象你说的，水的流量等都不去管它，那在较小负载时，水的动力矩大于线圈中电流产生的阻力矩，那线圈就会不断加速旋转，提升电压，加大电流，直至阻力矩加大到动力矩。

6.请问下列我的表述是否正确：理想变压器的原线圈两端的电压实际上是交流电变化而产生的自感电动势，原因是：原线圈没有电阻，所以外界电源施加的电压为0，而实际电动势为自感电动势与非感应电动势叠加，故实际电动势＝感应电动势；由此推得若非理想变压器，感应电动势在电流减小时，比实际电动势小，反之亦然。
——
“理想变压器的原线圈两端的电压实际上是交流电变化而产生的自感电动势”，这对。
“外界电源施加的电压为0”，这话不妥，应为“外界电源施加在原线圈的电阻上的电压为0（原线圈还有电感，外界电源施加在这个电感上的电压就是电源电压”。
“实际电动势为自感电动势与非感应电动势叠加”，这话看不懂，什么是“实际电动势”？以你的意思似乎还有个“不实际的电动势”？“非感应电动势”又是什么？
“实际电动势＝感应电动势”，我看应为“自感电动势＝感应电动势”。
“由此推得若非理想变压器，感应电动势在电流减小时，比实际电动势小，反之亦然。”，这我也看不懂。关键还是你的概念“实际电动势”令人费解。

补充回答：

1.励磁电流是什么？也就是说那个结论是总体来说的？在某些时候，是电能转化为磁场能，另外一些时候，是磁场能转化为电能，但是总的能量未转化？
——励磁电流是指原线圈中的电流，它能使铁芯中“激励”出磁场，而这个磁场是变压器工作的保证，不同于一般电流所产生的磁场。
“在某些时候，是电能转化为磁场能，另外一些时候，是磁场能转化为电能”，对，空载时就是这样！
“但是总的能量未转化”，可以这么说，但说“能量在电能与磁能之间转化来转化去”更准确。

3.我的意思是说电能传输到负载的过程中，为何要将全部的电能输给负载，而不是储存一部分在磁场？
——在传输的起始阶段，电能有一部分要变成磁能，以后稳定传输阶段，原线圈的电能不断转化为铁芯中的磁能，而这磁能又不断转化为副线圈中的电能，不再有磁能在铁芯中积累——铁芯中的磁场能量几乎是稳定不变的。

6.我的意思是说，外界电源施加在原线圈的电阻上的电压为0，又线圈两端的电压应为“外界电源施加在原线圈的电阻上的电压”+“感应电动势”（或自感电动势），所以两端电压＝0+感应电动势＝感应电动势。
——嗯，就是这样！

Answer 2

1.理想的变压器指的是：一次线圈电阻为零，铁心的涡流为零。这种条件下运行的变压器就能做到空载时有功电流为零。激磁电流的大小决定于变压器一次线圈的感抗，感抗的大小与铁心截面积成正比，于一次线圈的匝数成正比。此时，变压器的电流与电压成90度的相位角，它的有功功率在前四分之一周波为正，后四分之一周为负，二分之一周波的总功率为零。
2.磁场能与铁心截面积的大小，励磁线圈的匝数，励磁电流的大小以及铁心的导磁能力有关。
3.变压器负载运行时，随时可以将电能转化为磁能。电能有两部分组成，一部分为有功功率，一部分为无功功率。转化为磁能的那一部分功率为无功功率。无功功率不消耗发电机的有功电力。
4.当所需供率大于发电机的最大功率时会造成发电机的转速下降，电压下降，电流增大。超负荷过大会造成发电机的温度增高，发电机和水轮机的接合部的齿轮负载过重。以上原因有可能造成发电机烧线包，和齿轮损坏。如果该及时水电同轴的机组瞬间过载有可能将大轴拧坏。
5.如果负载小于发电机的功率就会造成发电机的频率增高（转速增高）电压增高。频率增高和电压增高过多就将发电机的多余功率输送到用电设备上去，造成用电设备的转速增高，发热增高，等后果。一言以蔽之，会造成发电机以及供电系统的过电压和高频事故。
6.您的表述不正确。线圈的电压是该线圈的电压降。这个电压降和线路电压降，和电源内部电压降之和等于电源的电动势。
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励磁电流就是建立磁场的那一部分电流，这个电流叫做电感电流。他不消耗有功功率。
有功功率和无功功率不能混肴。有功功率通过变压器的传导是通过磁场传导的，磁场是无功电流建立的。在不清楚就多看一点专业的书籍。我想您会明白的。总之，有功功率时转化为光，热，机械力等那一部分功率，励磁无功功率是建立磁场的那一部分功率。
理想变压器的线圈电阻为零，线圈的压降就是电源电动势减去线路压降。
我们使用的变压器的一次线圈压降是一次线圈的感抗压降和电阻压降的几何和。

Answer 3

1:变压器由电感元件组成
2:磁场能等于1/2u*B^2,由电流大小决定
3:在实际使用中,仍然具有电磁的相互转换,变压器的功率,要分有功功率(即电阻之类)和无功功率(任意时刻都存在,但是整体上做功为0)
4:你认识有不对的地方,由发动机的功率来决定用电器上的功率,好比你这个人,身上背负越重,跑的越慢.
5:水力的功率输出是可以调节的,高峰期会增加发电机台数,事实上,用电器的功率取决于这个电路的结构,而不是你认为的不会变化.发电机输出的功率,完全作用于电路.
6:不完全.有自感也有互感(原副是两个线圈)你的推断也不正确,最基本的电路元件有电阻电感电容,各自有各自的计算公式,而不是只有欧姆定理.

Answer 4

你最后的表述是正确的。
回答你的其它问题：
1、磁场能与电流及电感有关，W＝0.5LI＾2
2、电能确有一部分转化成了磁场能，发生在正弦波第一个周期的0-π/2期间，数值很小。
3、负荷功率增大时，发电机线圈中流过的电流就会增大，由于发电机的磁场是恒定的，通电线圈在磁场中所产生的阻力也随之增大，发电机转速就会下降，输出电压和频率也就下降。当负荷功率减少时，情况相反。但在现代电力系统中的发电机，都有自动调节装置，会自动根据负荷大小同步调节原动机功率，如调节燃煤锅炉火力或水轮机进水量

Answer 5

1.空载时,由于次级线圈电流为0,因为初级线圈的电流大小是由次级线圈所决定的,所以初级线圈的电流也为0.初级线圈的磁场大小是由初级线圈的电流大小而决定的,当空载时,初级线圈电流为0,故初级线圈的磁场也为0.
2.磁场能与交变电流的大小有关.
3.因为是理想状态下,变压器的效率是100%,初级线圈的电能100%的转化为磁初级线圈的磁场能,而初线线圈的磁场能又100%的以次级线圈上转化为电能.