ข้ามไปยังเนื้อหาหลัก

หม้อแปลงไฟฟ้า ทำไมจำนวนรอบกำหนดแรงดัน และทำไมใช้ได้กับไฟสลับเท่านั้น

สลับขดทุติยภูมิ 50 และ 100 รอบบนแกนเหล็กเดียวกัน ยกแท่ง I ออก และลองต่อถ่านแทนไฟบ้าน แล้วดูว่าแรงดัน กระแส และความสว่างของหลอดเปลี่ยนอย่างไร

  • ม.6
  • การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
  • ประมาณ 20 นาที
  • จำลองการทดลอง
100รอบ
ขดทุติยภูมิ Ns (ขดปฐมภูมิ Np 1,000 รอบ)
Ns : Np = 1 : 10
22.0V
แรงดันขดทุติยภูมิ Vs (Vp = 220 V)
= 220 × 100 ÷ 1,000
0.477A
กระแสในหลอด Is
Ip = 47.7 mA
10.5W
กำลังไฟฟ้าเข้า Pin
= Pout 10.5 W
แบบจำลองเพื่อการเรียนรู้ ดูสูตรและเงื่อนไข

ชุดทดลอง: หม้อแปลงไฟฟ้าแบบถอดประกอบได้

หม้อแปลงไฟฟ้า100050100

ควบคุมแบบจำลอง

ปรับตัวแปร แล้วสังเกตและบันทึกผล

ยกแท่ง I ขึ้นจากปลายขา

0 มม.

ฟลักซ์ที่คล้องขดทุติยภูมิ 100% ของตอนปิดแกนสนิท

ขดทุติยภูมิ
แหล่งจ่าย
เครื่องนี้ไม่รองรับ WebGL จึงแสดงแสงหลอดแบบเรียบง่าย

ทัวร์อัตโนมัติกำลังสาธิต: ยกแท่ง I สลับขด และลองต่อถ่าน เลือกขดหรือแหล่งจ่ายที่ปุ่มด้านล่าง แล้วกดบันทึกผล

แท่ง I และแบบจำลอง

อัตราส่วนแรงดัน = อัตราส่วนจำนวนรอบ

Vs ÷ Vp = Ns ÷ Np
Vs = 220 × 100 ÷ 1,000 = 22.0 V

ค่านี้เป็นหม้อแปลงอุดมคติที่ปิดแกนสนิท

กำลังไฟฟ้าเข้า = กำลังไฟฟ้าออก

VpIp = VsIs
Ip = 22.0 × 0.477 ÷ 220 = 47.7 mA

ลดแรงดันลง 10 เท่า กระแสด้านทุติยภูมิจึงมากกว่าด้านปฐมภูมิ 10 เท่า

สิ่งที่เห็นในภาพ
ลูกศรฟ้าบนหน้าแกน: ฟลักซ์แม่เหล็ก ลูกศรเคลื่อนเมื่อฟลักซ์เปลี่ยน ลูกศรอ้อมนอกขดปฐมภูมิ: ฟลักซ์รั่วเมื่อยกแท่ง I เข็มมิเตอร์: แรงดันขดทุติยภูมิ 0–30 V หลอด 24 V 12 W: ไส้หลอดส้มเมื่อหรี่ เหลืองเมื่อสว่าง
คีย์ลัด
1 2สลับเป็นขด 50 / 100 รอบ ↑ ↓ยกแท่ง I ทีละ 5 มม. (Shift ทีละ 1) เมื่อโฟกัสที่ภาพ Sไฟสลับ → ปิด → ถ่าน Rบันทึกผล Aทัวร์อัตโนมัติ Fเต็มจอ

ตารางบันทึกผลและกราฟ Vs กับ Ns

กดบันทึกผลเมื่อประกอบเสร็จ
ครั้งที่สภาพNs (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

ตอบถูก 0 / 6

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