问题

方波电压为何可以通过变压器?

回答
方波电压之所以能够通过变压器,这其中的奥妙,还得从变压器最核心的工作原理说起。

首先,我们要明白变压器是如何工作的。变压器之所以能够“变压”,是因为它依赖于电磁感应这个物理现象。简单来说,当一个变化的磁场穿过一个线圈时,这个线圈就会产生感应电动势(也就是电压)。而变压器内部就是由两个或者多个线圈(绕组)紧密地套在一个共同的铁芯上构成的。

当一个交流电压施加在变压器的一个线圈(称为初级绕组)上时,这个交流电压会在初级绕组中产生一个交流电流。这个交流电流在流过初级绕组时,会围绕着它产生一个变化的磁场。而变压器中的铁芯,它的作用就是把这个初级绕组产生的变化的磁场有效地引导到另一个线圈(称为次级绕组)上。

如果这个施加在初级绕组上的电压是方波电压,情况会是怎么样的呢?

我们知道,方波电压不是一个平滑的正弦波,它在不同时间段内保持恒定的电压值,然后突然跳变到另一个恒定电压值(可能是相反的极性)。虽然它的波形看起来“粗糙”不平滑,但最关键的一点是:方波电压是变化的!

这就意味着,当方波电压施加在初级绕组时,它会产生一个变化的电流。这个变化的电流,正如我们前面所说,会产生一个变化的磁场。

关键就在于这个“变化”二字。只要磁场在变化,无论产生它的电压波形是什么样子,只要这个变化是足够快的,就能在次级绕组中产生感应电动势。

所以,当方波电压产生变化的磁场,这个变化的磁场穿过次级绕组时,根据法拉第电磁感应定律,次级绕组就会产生一个感应电动势。这个感应电动势的幅值大小,与初级绕组的电压幅值、初级和次级绕组的匝数比以及磁场的变化率有关。

那么,方波电压通过变压器后,输出的会是什么样的波形呢?

这里需要注意的是,理想情况下,变压器传递的是磁场变化率,而不是电压波形本身。虽然输入的是方波,但由于铁芯磁化特性、绕组电感等因素的影响,输出的波形会与输入有一定的区别。

可以想象一下,当方波电压从一个值突然跳变到另一个值时,这个瞬间的“跳变”实际上是一个非常快速的变化率。而这种快速的变化率,是产生感应电动势的“好材料”。

不过,我们也要看到,变压器本身并不是一个完美的“信号传输器”。它有一定的电感和电容特性。这些特性会对高频分量有影响。方波可以看作是基频的正弦波和一系列奇次谐波的正弦波的叠加。当方波通过变压器时,变压器的频率响应会影响这些谐波的传输。

所以,严格来说,方波电压通过变压器后,输出的波形不一定是完美的方波,它可能会出现一些“圆角”效应,即跳变的地方不再是直角,而是带有一定的斜率,尤其是在高频部分。变压器的漏感和分布电容会起到滤波作用。

但总体而言,只要输入的是一个不断变化的电压,变压器就能利用磁场变化来传递能量,从而在次级产生感应电压。方波电压虽然形状独特,但它满足了“变化”这一核心条件。

所以,方波电压可以通过变压器,这正是基于电磁感应的普遍性。变压器可以传输任何能够产生变化的磁场的电压信号,而方波电压正是其中一种。我们用变压器来升高或降低电压,实际上就是利用了它将电能通过磁场进行一次中转,然后再转换回电能的能力,这种转换的核心是“变化”。

网友意见

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前情:


如果忘记了方波是怎么来的, 请用 wolfram mathematica 或者 python 简单地模拟一下。











变压器的初级和次级都可以看作带通(考虑分布电容)滤波器。

通带里面的信号可以相对无衰减地通过, 通带外的信号就被衰减很明显。


对于变压器来说, 只要磁场一直在变化, 那么信号就一直能通过互感传给线圈。

至于为什么, 俺没法解释, 因为统一场论还没有诞生。俺没啥文化, 初中毕业, 大伙都知道。

除了爱因斯坦等少数外,大多数物理学家都最终放弃了经典统一场论。当今对于统一场论的研究主要集中在建立量子引力理论,以及将这一理论和其他基础量子理论统一起来的工作上。(某些理论,例如最著名的弦理论,则将两者合二为一。)直至今日,引力在四种基本相互作用中仍然是一个难以统一的未决问题。


磁场变化直接的原因是电流在变化。

电感两端的电压(电场或者说电势差)和电流的变化是不同步的, 大家都知道,差 90 度或者 1/2 pi.

如果忘记了这点, 那就会感觉十分费解。

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