ชุดทดลอง: หม้อแปลงไฟฟ้าแบบถอดประกอบได้
ทัวร์อัตโนมัติกำลังสาธิต: ยกแท่ง I สลับขด และลองต่อถ่าน เลือกขดหรือแหล่งจ่ายที่ปุ่มด้านล่าง แล้วกดบันทึกผล
แท่ง I และแบบจำลอง
อัตราส่วนแรงดัน = อัตราส่วนจำนวนรอบ
ค่านี้เป็นหม้อแปลงอุดมคติที่ปิดแกนสนิท
กำลังไฟฟ้าเข้า = กำลังไฟฟ้าออก
ลดแรงดันลง 10 เท่า กระแสด้านทุติยภูมิจึงมากกว่าด้านปฐมภูมิ 10 เท่า
สิ่งที่เห็นในภาพ
คีย์ลัด
ตารางบันทึกผลและกราฟ Vs กับ Ns
| ครั้งที่ | สภาพ | Ns (รอบ) | Vs (V) | Is (A) | Ip (mA) | Pin (W) | Pout (W) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ยังไม่มีผล กดบันทึกผลกับขด 50 และ 100 รอบ แล้วลองยกแท่ง I หรือต่อถ่าน | |||||||
อธิบายสิ่งที่เห็น
ไฟสลับทำให้ฟลักซ์ในแกนเปลี่ยนตลอดเวลา
กระแสสลับ 50 Hz ในขดปฐมภูมิสร้างฟลักซ์แม่เหล็กที่กลับทิศ 100 ครั้งต่อวินาที แกนเหล็กพาฟลักซ์เกือบทั้งหมดวิ่งครบวงผ่านขดทุติยภูมิ ฟลักซ์ที่เปลี่ยนจึงเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดทุติยภูมิตามกฎของฟาราเดย์
แกนทำจากเหล็กแผ่นบางเคลือบฉนวนซ้อนกัน เพื่อลดกระแสวนที่ทำให้แกนร้อน ในภาพฟลักซ์เปลี่ยนช้ากว่าจริง 100 เท่า
แรงดันแบ่งตามจำนวนรอบ
ทุกรอบของทั้งสองขดคล้องฟลักซ์เดียวกัน แรงเคลื่อนไฟฟ้าต่อรอบจึงเท่ากัน ได้ Vs ÷ Vp = Ns ÷ Np ขด 50 รอบได้ 220 × 50 ÷ 1,000 = 11 V หลอด 24 V จึงหรี่ ส่วนขด 100 รอบได้ 22 V หลอดเกือบสว่างเต็มที่ ขดทุติยภูมิมีรอบน้อยกว่า จึงเป็นหม้อแปลงลดแรงดัน
ถ้าต้องการ 24 V พอดี ต้องใช้ขดทุติยภูมิราว 109 รอบ ดูเส้นประในกราฟ
กำลังไฟฟ้าเข้าเท่ากับกำลังไฟฟ้าออก
หม้อแปลงอุดมคติไม่สูญเสียพลังงาน VpIp = VsIs หลอดใช้ 10.5 W ที่ 22 V กระแสในหลอด 0.477 A ขดปฐมภูมิจึงรับกระแสเพียง 10.5 ÷ 220 = 47.7 mA ลดแรงดันลงกี่เท่า กระแสก็เพิ่มขึ้นเท่านั้น
หม้อแปลงจริงมีประสิทธิภาพราว 95–99% ส่วนที่หายไปคือความร้อนในลวดและในแกนเหล็ก แบบจำลองนี้ยังไม่รวมกระแสที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็กในแกน
ยกแท่ง I: ฟลักซ์รั่วออกทางอากาศ
อากาศนำฟลักซ์ได้แย่กว่าเหล็กหลายพันเท่า ช่องอากาศเพียงเล็กน้อยทำให้ฟลักซ์ส่วนหนึ่งวนกลับรอบขดปฐมภูมิโดยไม่ผ่านขดทุติยภูมิ ยกแท่ง I 5 มม. แรงดันจาก 22 V เหลือราว 14 V และยกออกจนสุดเหลือราว 7 V หลอดจึงหรี่ลงมาก
ตัวเลขช่องอากาศมาจากวงจรแม่เหล็กอย่างง่าย ต้องถอดแท่ง I ทุกครั้งที่สลับขด เพราะขดสวมเข้าทางปลายขาด้านบน
ไฟตรงใช้กับหม้อแปลงไม่ได้
ต่อถ่าน 6 V ฟลักซ์จะขึ้นแล้วคงที่ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงจึงไม่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ มีเพียงแรงดันแวบสั้น ๆ ตอนต่อและตอนปลด กระแส 0.2 A ในขดปฐมภูมิกลายเป็นความร้อนทั้งหมด ระบบไฟฟ้าจึงใช้ไฟสลับ เพื่อแปลงแรงดันให้สูงตอนส่งไปไกลและลดลงก่อนเข้าบ้าน
ความปลอดภัย: ในห้องเรียนจริง ครูต้องเป็นผู้ต่อไฟบ้าน 220 V เองเท่านั้น ใช้ขดลวดที่มีขั้วหุ้มฉนวน ผ่านสวิตช์และฟิวส์ และห้ามแตะขั้วหรือสลับขดขณะเปิดไฟ
ตรวจความเข้าใจ
1ขดปฐมภูมิ 1,000 รอบต่อไฟ 220 V ขดทุติยภูมิ 100 รอบ แรงดันขาออกเท่าใด
Vs = Vp × Ns ÷ Np = 220 × 100 ÷ 1,000 = 22 V ขดทุติยภูมิมีรอบเป็น 1/10 แรงดันจึงเป็น 1/10
2เปลี่ยนเป็นขดทุติยภูมิ 50 รอบ หลอด 24 V จะเป็นอย่างไร
220 × 50 ÷ 1,000 = 11 V ต่ำกว่าแรงดันที่หลอดออกแบบไว้มาก ไส้หลอดร้อนไม่พอ จึงเรืองแสงสีส้มหรี่ ๆ
3หลอดใช้กำลัง 10.5 W ที่ 22 V ถ้าหม้อแปลงเป็นแบบอุดมคติ กระแสในขดปฐมภูมิ (220 V) ประมาณเท่าใด
Pin = Pout จึงได้ Ip = 10.5 ÷ 220 ≈ 0.048 A = 48 mA ตอบ 0.48 A คือกระแสในหลอด ไม่ใช่ในขดปฐมภูมิ
4ทำไมต่อถ่าน (ไฟตรง) กับขดปฐมภูมิแล้วหลอดไม่ติด
ไฟตรงสร้างสนามแม่เหล็กได้ แต่สนามคงที่ การเหนี่ยวนำต้องอาศัยฟลักซ์ที่เปลี่ยน จึงมีแรงดันแวบเฉพาะตอนต่อและตอนปลดถ่าน
5ยกแท่ง I ออกจากแกน หลอดหรี่ลงเพราะอะไร
แท่ง I ทำให้แกนเหล็กครบวง ฟลักซ์จึงวิ่งผ่านขดทุติยภูมิได้ครบ ไม่มีสายไฟเชื่อมสองขด พลังงานส่งผ่านทางสนามแม่เหล็กเท่านั้น
6ต้องการแรงดัน 24 V จากไฟ 220 V ด้วยขดปฐมภูมิ 1,000 รอบ ขดทุติยภูมิควรมีประมาณกี่รอบ
Ns = Np × Vs ÷ Vp = 1,000 × 24 ÷ 220 ≈ 109 รอบ ตรงกับจุดที่เส้นในกราฟตัดเส้นหลอด 24 V