STEM教育理念下变压器原理拓展教学

戴朱军

(张家港市乐余高级中学 江苏 苏州 215600)

STEM教育理念强调培养学生的科学、技术、工程、数学这4个方面的素养，但目前高中对变压器的教学要求仅限于让学生知道理想变压器的工作原理，以及电流电压和匝数的关系，未能体现出技术素养和工程素养方面的培养要求．因此，有必要对生活中广泛应用的变压器，进一步开展拓展应用教学，以培养学生综合科学素养．

1 拓展教学一

为什么高压原线圈的铜线比低压副线圈细？

准备一个220 V转换12 V的小型10 W电源变压器，教师事先把原副线圈绕组上的绝缘保护塑料皮剥离，以便学生观察，并用黑胶布把该变压器上的厂家铭牌参数遮盖住(因为铭牌上标明了输入输出的导线颜色、电压、功率、匝数等参数)，如图1所示．

图1 比较原副线圈的匝数和粗细

师：这是一个把220 V高压转换为低压12 V的小型电源变压器，通过观察，你们能确定哪个是原线圈，哪个是副线圈吗？

生：匝数多的是原线圈，匝数少的是副线圈，因为电压和匝数成正比(大部分学生这样回答)．

师：很好，那为什么高压原线圈采用的铜线非常细呢？

学生各种回答：因为原线圈匝数太多，如果导线较粗就绕不下了；因为原线圈电流小，所以采用较细的铜线绕制；因为考虑成本，粗了浪费……

教师引导：同学们有多种看法，到底哪个有道理呢？让我们来看一个变压器厂家生产所用的漆包线的直径与最大通过电流量的对比表格，如表1所示．同学们通过这个表格，能发现什么规律？

表1 常用漆包线线径和最大载流对照表

生：漆包线的直径越大(即越粗)，能够通过的最大电流就越大．

师：很好，同学们现在明白了，因为对单个副线圈的变压器，工作电流和匝数成反比，因为高压原线圈匝数多，所以通过电流小，选择能满足最大载流量的较细导线就可以了[1]．这和生活中的水管完全类似，通过水流小，选择较细的水管就可以了．

2 拓展教学二

输出都为12 V的变压器，匝数比220∶12 和2200∶120效果一样吗？

教师准备2只电源变压器，都是220 V转换12 V输出，但功率分别为10 W和30 W，同样用黑胶布把两只变压器上的厂家参数遮盖，再让学生观察对比，如图2所示．

图2 两变压器电压相同但大小不同

师：同学们，这两个变压器的输入电压和输出电压都是多少？

生：输入都是220 V,输出都是12 V．

师：如果看成理想变压器，那匝数比是多少？

生：220∶12.

师：那能不能原副线圈绕制的匝数为220匝和12匝，或者2 200匝和120匝，甚至55匝和3匝？

生：……应该可以吧，匝数比都一样，都是输出12 V 啊．

生：……

师：同学们想一想，如果原线圈匝数太少，对输入的220 V交流电来说，原线圈的感抗XL是很大还是很小？

生：匝数越少，感抗越小．

师：感抗越小，那对输入交流电的阻碍越小，就越接近于短路，就会电流过大而烧毁原线圈！现在同学们理解为什么原线圈匝数不能太少了吧？

请同学们思考另外一个问题，如果需要电压器输出更大的功率，那铁芯内的磁场应该越强还是越弱？原线圈的匝数需要越多还是越少？铁芯截面积需要越大还是越小？

引导学生得出：当然是原线圈匝数越多，产生磁场越强，向副线圈输送的磁场能就越大，需要的铁芯截面积就越大．

师：很好，也就是说变压器的功率越大，就需要原线圈匝数越大，铁芯的截面积也要越大．功率越大的变压器，往往外观较大，重量也较重．所以虽然匝数比都是220∶12，但原线圈和副线圈的具体匝数选择，需要根据铁芯大小、设计功率、导线材料种类和截面积、交流电频率等多种因素来确定．

3 拓展教学三

为什么手机充电器内部的变压器特别小？

教师事先准备一个输出5 V/2 A的闲置手机充电器(又称开关电源)， 把这个充电器拆开，以便学生观察内部的变压器，并和上文中的10 W变压器进行对比，如图3所示．

图3 手机充电器内变压器和普通变压器大小对比

师：同学们能计算这个手机充电器的额定输出功率吗？另外对这个手机充电器内的变压器有什么深刻印象？

生：由P=UI=5 V×2 A=10 W，和之前看过的变压器功率相同，但体积要小很多很多！

师：对啊，变压器体积和重量当然是越小越好，这样才轻便．但变压器要轻小，必需要减少漆包线的匝数和铁芯的大小，那如何确保功率和输出电压不会降低呢？

生：……

动态范围指的是画面中最暗（1）和最亮（2）部分的亮度差距。不同相机的动态范围并不相同，不过总的来说，因为像素尺寸更大，所以全画幅相机通常拥有更高的动态范围。一张照片的直方图（如右图所示）占据越多的横轴空间（3），这张照片的动态范围也就越高。

师：同学们想一想，副线圈为什么会输出电压？

生：电磁感应啊，副线圈会产生感生电动势．

师：很好，那同学们由感生电动势公式

去思考一下，如果减少匝数n和副线圈截面积S(即铁芯截面积)，但要确保电动势E不变，应该怎么办？

师：很好，让磁场变化得更快，也就是原线圈输入的交流电要变化得越快，就是需要提高交流电的哪个参数？

生：就是提高频率！

师：很好！我们手机充电器里就是通过高频开关电路，把交流电的频率从50 Hz 提高到了100 kHz，整整提高了2 000倍！这样就可以显著降低变压器的匝数和铁芯大小，从而让变压器变得更加轻小，这样的变压器称为高频变压器，对应的电源称为开关电源[2]．现在几乎所有数码类产品的电源，都是开关电源，其基本工作原理如图4所示．

图4 开关电源工作原理示意图

4 拓展教学四

为什么没有铁芯也可以无线输电？

通过展示华为Mate20 pro手机的无线充电功能宣传图，引入无线输电话题．

师：无线输电，摒弃了导线的牵连缠绕，让手机充电更加便捷，那无线输电的基本原理是什么呢？让我们通过一个有趣的实验，来研究一下．

教师拿出上文中已经拆开的手机充电器，现场把一个事先绕好的30匝线圈的两端，焊接在手机充电器内高频变压器的副线圈上．再拿出一个事先绕好的30匝线圈，其两端已经焊接了一个发光二极管LED，如图5所示．

图5 自制无线输电演示装置

师：同学们，激动人心的时刻到了！现在我把充电器重新装上外壳，把充电器插在220 V电源插座上，接下来，我慢慢把两个线圈靠近，你们会看到什么呢？

实验如图6所示.

生：LED逐渐亮起来了！太神奇了！原来无线输电这么简单好玩啊！

图6 演示无线输电

教师引导讲解原理：和高频变压器连接的线圈叫做发射线圈，发射线圈中通了高频交流电，则这个线圈会在周围空间激发出高频交变磁场．连接LED的线圈叫做受电线圈，当受电线圈靠近发射线圈，就进入了交变磁场所在区域，由电磁感应原理，受电线圈中就产生了感应电动势，闭合电路中产生感应电流，所以LED就亮起来了．这就是无线输电的基本原理[3]，如图所7示．

图7 无线输电原理示意图

师：同学们发现，发射线圈和受电线圈间虽然没有铁芯，但交变磁场也能通过空间传输到达受电线圈．为了提高无线输电的效率，发射线圈内的交变电流频率应该更高些还是更低些？

生：和前面分析一样的道理，应该进一步提高频率，才能让铁芯更小，甚至直接取消铁芯．

师：很好！目前无线输电的技术方案有多种，其中有几种方案中，交变磁场的频率数量级高达MHz (106Hz)甚至GHz(109Hz)．

5 课后反思

通过以上系列探究，学生不仅了解到生活中变压器和无线输电中的工程技术知识，还对电磁感应、电磁波知识也有了更深的理解，学习物理的兴趣更加浓厚，这正是STEM教育的魅力所在．在基础教育领域，我们高中物理可能是(也应该是)最能体现STEM教育理念的一门学科，广大物理教师大有作为！