HSC 物理:理想變壓器的電流與功率
了解理想變壓器為甚麼守恆功率、電壓與電流如何此增彼減,以及如何在 HSC 物理題目中運用一次側與二次側的功率關係。
一個變壓器在一次側輸入 240 V,並在二次側輸出 12 V。這聽起來像是損失了大量電能:電壓降低了 20 倍。
那麼,能量到哪裡去了?
在繼續閱讀之前,先作一個預測。如果理想變壓器在傳輸相同功率的同時,將電壓降低 20 倍,那麼電流必須發生甚麼變化?
它必須增加 20 倍。理想變壓器不會損失功率。它以電壓換取電流,或以電流換取電壓。
這一個概念就能解釋 HSC 的變壓器功率方程:
\[ V_p I_p = V_s I_s \]
重要的是理解它為甚麼成立、甚麼時候使用,以及它不代表甚麼。
01先從電壓和電流實際量度的是甚麼開始
電壓和電流描述的是不同的物理量。
電壓告訴你每單位電荷轉移了多少電能。一伏特等於一焦耳每庫侖。
電流告訴你每秒有多少電荷通過某一點。一安培等於一庫侖每秒。
因此,當我們將電壓乘以電流時,
\[ VI = \frac{\text{J}}{\text{C}} \times \frac{\text{C}}{\text{s}} = \frac{\text{J}}{\text{s}} = \text{W} \]
便得到功率。
功率是能量轉移的速率,單位是瓦特。
你可以用包裹來想像這件事。假設每個包裹都攜帶一定的能量,而輸送帶每秒運送一定數量的包裹。電壓就像每個包裹攜帶的能量。電流就像每秒通過多少個包裹。功率取決於兩者。
變壓器可以讓每一庫侖電荷轉移更多能量,同時讓每秒通過的庫侖數減少;也可以讓每一庫侖轉移較少能量,同時讓每秒通過的庫侖數增加。
這個類比並不完全準確,因為電荷實際上並不是被分裝成一個個獨立的包裹,而且變壓器是透過變化的磁場傳輸能量,而不是把電荷從一個線圈實際移動到另一個線圈。不過,「每單位電荷的能量 × 每秒通過的電荷量」這個圖像仍然很有用。
02理想變壓器守恆功率
理想變壓器沒有能量損失。
這表示進入一次側的電功率等於離開二次側的電功率:
\[ P_p=P_s \]
在 HSC 課程所討論的變壓器題目中,電功率使用 \(P=VI\) 計算。因此,
\[ V_p I_p=V_s I_s \]
其中:
- \(V_p\) 是一次側電壓,單位為伏特,
- \(I_p\) 是一次側電流,單位為安培,
- \(V_s\) 是二次側電壓,單位為伏特,以及
- \(I_s\) 是二次側電流,單位為安培。
除非題目另有說明,變壓器的交流電壓和電流通常都以 RMS(有效值)表示。

注意這條方程真正表達的是甚麼。它不是說電壓保持不變,也不是說電流保持不變。
它是說,在某一特定傳輸功率下運作的理想變壓器中,兩者的乘積保持不變。
03為甚麼電壓和電流朝相反方向改變
假設一個理想變壓器把電壓加倍。
要使功率保持不變,
\[ V_p I_p=V_s I_s \]
因此,如果 \(V_s\) 是 \(V_p\) 的兩倍,那麼 \(I_s\) 必須是 \(I_p\) 的一半。
所以,在相同傳輸功率下,升壓變壓器會產生較高的二次側電壓和較低的二次側電流。
降壓變壓器則相反。
| 變壓器作用 | 二次側電壓 | 相同功率下的二次側電流 |
|---|---|---|
| 升壓 | 增加 | 減少 |
| 降壓 | 減少 | 增加 |
最後一欄有一個重要的限定條件:在相同傳輸功率下。
變壓器不會不管你接上甚麼負載,都強迫固定大小的電流流過。負載會影響電流。我們稍後會再談到這一點。
將電流比與匝數比連繫起來
對理想變壓器而言,
\[ \frac{V_s}{V_p}=\frac{N_s}{N_p} \]
其中 \(N_p\) 和 \(N_s\) 分別是一次線圈和二次線圈的匝數。
如果你需要複習為甚麼電壓遵循匝數比,請參閱 HSC 物理:理想變壓器的電壓與匝數比。
功率守恆給出
\[ V_pI_p=V_sI_s \]
所以
\[ \frac{I_s}{I_p} = \frac{V_p}{V_s} \]
利用電壓比,
\[ \frac{I_s}{I_p} = \frac{N_p}{N_s} \]
因此,電流比是匝數比的倒數。
例如,如果
\[ \frac{N_s}{N_p}=10 \]
那麼電壓會升高 10 倍,而在相同傳輸功率下,電流則會降低 10 倍。
這個反比關係很容易不小心寫反。與其死記兩個比值,不如記住背後的物理限制:理想變壓器不能憑空產生額外功率。
例題:由二次側負載求一次側電流
一個理想變壓器的一次側電壓為 \(240\text{ V}\),二次側電壓為 \(12\text{ V}\)。二次側提供 \(3.0\text{ A}\) 的電流。計算一次側電流。
步驟 1
\[ P_s=V_sI_s=(12)(3.0)=36\text{ W} \]
二次側正在輸出 \(36\text{ W}\)。
步驟 2
對理想變壓器而言,
\[ P_p=P_s=36\text{ W} \]
步驟 3
\[ I_p=\frac{P_p}{V_p} = \frac{36}{240} = 0.150\text{ A} \]
所以一次側電流為
\[ I_p=0.15\text{ A} \]
電壓由 \(240\text{ V}\) 降至 \(12\text{ V}\),即降低 20 倍。相應地,二次側電流是一次側的 20 倍:
\[ \frac{3.0}{0.15}=20 \]
能量並沒有神秘地消失。同樣的 \(36\text{ W}\) 功率,只是以較低電壓和較高電流傳輸。
04變壓器本身不會憑空產生電流
一個常見的說法是:
降壓變壓器會增加電流。
這是一種方便的簡寫,但也可能造成誤解。
假設一個變壓器的一次側電壓為 \(240\text{ V}\),二次側電壓為 \(24\text{ V}\)。現在讓二次側完全不接任何負載。
二次側會有多少電流流過?
零。
變壓器的二次側端子之間可以有 \(24\text{ V}\) 電壓,同時完全不提供電流。沒有接上負載,就沒有封閉路徑讓電荷流動。
所以,更好的理解方式是:
- 匝數比決定二次側電壓。
- 負載和二次側電壓決定二次側電流。
- 二次側負載所需求的功率,決定在理想模型中一次側所需的電流。
按照這個順序思考,可以避免很多變壓器題目的錯誤。
想像一家餐廳的水管具有足夠的水壓,可以向水槽供水。存在水壓並不表示水一定正在流動。水龍頭必須提供一條通路。相似地,二次側可以有電壓而沒有二次側電流。
如果把這個類比延伸得太遠,它就不再有用。電壓並不真的就是流體壓力,而且變壓器的一次側和二次側是透過電磁作用耦合,而不是透過一條水管相連。
05為甚麼改變二次側負載會改變一次側電流?
這是比較奇妙的部分。
一次線圈和二次線圈彼此沒有電氣連接。然而,當二次側負載抽取更多電流時,一次側也會從電源抽取更多電流。
一側怎麼會知道另一側發生了甚麼?
兩者之間的連結是磁場。
一次側中的交流電會在變壓器鐵芯中產生變化的磁通量。這個變化的磁通量會在二次側感應出電動勢。
當二次側電流開始流動時,該電流本身也會產生磁效應。根據楞次定律,它的效應會反抗造成它的磁通變化。
因此,一次側電源會提供額外電流,使外加一次側電壓所要求的變化磁通得以維持。
並沒有任何訊息沿著導線從二次側傳到一次側。這兩個電路是透過共同的磁通互相作用。如果這個機制仍然不夠清楚,HSC 物理:螺線管之間的互感應 會更詳細地建立這個磁學圖像。
例題:由一次側電流求負載
一個理想變壓器接到 \(240\text{ V}\) 電源。其二次側電壓為 \(24\text{ V}\)。一次側電流為 \(0.40\text{ A}\),而二次側接上一個電阻器。
計算二次側電流和負載電阻。
步驟 1
\[ P_p=V_pI_p=(240)(0.40)=96\text{ W} \]
步驟 2
\[ P_s=P_p=96\text{ W} \]
步驟 3
\[ I_s=\frac{P_s}{V_s} = \frac{96}{24} = 4.0\text{ A} \]
步驟 4
對該負載而言,
\[ R=\frac{V_s}{I_s} = \frac{24}{4.0} = 6.0\ \Omega \]
所以二次側電流為 \(4.0\text{ A}\),負載電阻為 \(6.0\ \Omega\)。
有趣的是,一次側電流包含了二次側負載的資訊。二次側的一個 \(6.0\ \Omega\) 電阻器,會使電氣上彼此隔離的一次側電源提供 \(0.40\text{ A}\) 電流。
06最容易產生的誤解:功率守恆不代表功率固定
假設一個理想變壓器正向負載提供 \(50\text{ W}\)。那麼
\[ P_p=P_s=50\text{ W} \]
現在你把這個負載換成另一個不同的負載。
變壓器是否仍然必須傳輸 \(50\text{ W}\)?
不是。
功率守恆的意思是,在任何特定時刻或特定工作狀態下,進入理想變壓器的功率等於離開它的功率。
它並不是說,無論負載如何,變壓器都會一直傳輸相同的功率。
這個區別很重要。
低電阻的二次側負載可以抽取更多電流,因此也會消耗更多功率。一次側隨之抽取更多電流。高電阻負載抽取的電流較少。開路則會有零二次側電流。
變壓器內部並不存在一份固定的功率,必須以某種方式分配出去。
一個實用的判斷規則是:
| 如果題目給你…… | 應該想到…… |
|---|---|
| 一次側和二次側電壓,再加上一個電流值 | 使用 \(V_pI_p=V_sI_s\) |
| 匝數比 | 先建立 \(V_p\) 與 \(V_s\) 的關係 |
| 二次側電阻 | 利用負載電壓和歐姆定律求 \(I_s\) |
| 一次側電流以及兩側電壓 | 使用功率守恆推斷二次側負載 |
| 負載發生變化 | 重新計算功率;不要假設功率保持不變 |
07「理想」這個詞隱藏了甚麼
真實的變壓器並不是百分之百有效率。
由於線圈具有電阻,一部分輸入能量會在線圈中轉化為熱能。渦電流、磁滯,以及沒有完全同時穿過兩組線圈的漏磁通等效應,也會造成能量損失。
因此,對真實變壓器而言,
\[ P_{\text{out}}<P_{\text{in}} \]
對理想變壓器而言,
\[ P_{\text{out}}=P_{\text{in}} \]
理想模型刻意忽略這些損失,讓你可以專注於電壓、電流和功率之間的關係。
不要混用這兩種模型。如果題目明確給出低於 \(100\%\) 的變壓器效率,就不能直接令輸入功率等於輸出功率。
08題目與解答
題目 1
一個理想變壓器的一次側電壓為 \(240\text{ V}\),二次側電壓為 \(48\text{ V}\)。二次側電流為 \(2.0\text{ A}\)。
計算:
a. 輸出功率,以及
b. 一次側電流。
解答 1
輸出功率為 \(96\text{ W}\),一次側電流為 \(0.40\text{ A}\)。
核心概念是,理想變壓器的輸入功率和輸出功率相等。
對二次側而言,
\[ P_s=V_sI_s=(48)(2.0)=96\text{ W} \]
因此,
\[ P_p=96\text{ W} \]
利用 \(P_p=V_pI_p\),
\[ I_p=\frac{P_p}{V_p} = \frac{96}{240} = 0.40\text{ A} \]
所以
\[ P_s=96\text{ W} \]
以及
\[ I_p=0.40\text{ A} \]
一個很誘人的錯誤,是因為變壓器正在「降壓」,便把兩邊的電壓或電流相減。這沒有任何物理根據。功率取決於乘積 \(VI\),而不是一次側與二次側數值之間的差。
題目 2
一個接到 \(240\text{ V}\) 電源的理想變壓器,在二次側產生 \(30\text{ V}\) 電壓。一個 \(15\ \Omega\) 電阻器接在二次側兩端。
a. 計算二次側電流。
b. 計算傳輸到電阻器的功率。
c. 計算一次側電流。
之後,把 \(15\ \Omega\) 電阻器換成一個 \(30\ \Omega\) 電阻器。假設一次側電源仍維持在 \(240\text{ V}\)。
d. 計算新的二次側和一次側電流。
e. 解釋為甚麼即使變壓器仍然是理想的,現在傳輸的功率卻較少。
解答 2
最初 \(I_s=2.0\text{ A}\)、\(P=60\text{ W}\),而 \(I_p=0.25\text{ A}\)。當電阻加倍後,二次側電流變為 \(1.0\text{ A}\),一次側電流變為 \(0.125\text{ A}\)。
對原本的 \(15\ \Omega\) 負載,使用歐姆定律:
\[ I_s=\frac{V_s}{R} = \frac{30}{15} = 2.0\text{ A} \]
二次側功率為
\[ P_s=V_sI_s=(30)(2.0)=60\text{ W} \]
由於變壓器是理想的,
\[ P_p=P_s=60\text{ W} \]
所以
\[ I_p=\frac{P_p}{V_p} = \frac{60}{240} = 0.25\text{ A} \]
現在把負載換成 \(30\ \Omega\)。由於一次側電壓和匝數比都沒有改變,變壓器仍然產生 \(30\text{ V}\)。
因此,
\[ I_s=\frac{30}{30}=1.0\text{ A} \]
以及
\[ P_s=(30)(1.0)=30\text{ W} \]
所以,
\[ I_p=\frac{30}{240}=0.125\text{ A} \]
一個很容易出現的預測是:既然理想變壓器不會損失能量,它就應該繼續傳輸 \(60\text{ W}\)。這混淆了功率守恆與功率固定。
新的負載只需要 \(30\text{ W}\)。因此,理想變壓器從一次側取得 \(30\text{ W}\),並把同樣的 \(30\text{ W}\) 傳送到二次側。
題目 3
一個理想升壓變壓器用來把交流電壓從 \(240\text{ V}\) 提高到 \(12.0\text{ kV}\)。它向二次側電路提供 \(6.0\text{ kW}\) 的功率。
a. 計算二次側電流。
b. 計算一次側電流。
c. 一名學生說:「電壓增加了 50 倍,所以變壓器也把電功率增加了 50 倍。」精確解釋為甚麼這個結論錯誤。
解答 3
二次側電流為 \(0.50\text{ A}\),一次側電流為 \(25\text{ A}\),而變壓器的功率並沒有增加。
先換算已知量:
\[ 12.0\text{ kV}=12\,000\text{ V} \]
以及
\[ 6.0\text{ kW}=6000\text{ W} \]
二次側電流為
\[ I_s=\frac{P_s}{V_s} = \frac{6000}{12\,000} = 0.50\text{ A} \]
由於變壓器是理想的,
\[ P_p=P_s=6000\text{ W} \]
所以
\[ I_p=\frac{6000}{240}=25\text{ A} \]
電壓比為
\[ \frac{12\,000}{240}=50 \]
而電流比為
\[ \frac{25}{0.50}=50 \]
但方向相反。電壓變成原來的 50 倍,而電流變成原來的 \(1/50\)。
學生的論點看起來合理,因為 \(P=VI\),所以如果增加 \(V\) 並想像 \(I\) 維持不變,功率確實會增加。但 \(I\) 並不會維持不變。在理想變壓器中,電流會與電壓成反比變化。
正確的比較是
\[ (240)(25) = (12\,000)(0.50) = 6000\text{ W} \]
升壓變壓器改變的是功率傳輸的方式,而不是創造額外功率。
題目 4
一個理想變壓器具有
\[ \frac{N_s}{N_p}=10 \]
而其一次側接到一個 \(240\text{ V}\) 交流電源。一個 \(4800\ \Omega\) 電阻器接在二次側兩端。
a. 計算二次側電壓和電流。
b. 計算一次側電流。
c. 從一次側電源的角度,計算有效電阻 \(R_{\text{in}}=V_p/I_p\)。
現在使用變壓器方程和歐姆定律,證明對一個電阻性二次側負載 \(R_L\),
\[ R_{\text{in}} = \left(\frac{N_p}{N_s}\right)^2R_L \]
d. 解釋為甚麼這個結果並不表示實際的 \(4800\ \Omega\) 電阻器以某種方式改變了它的電阻值。
解答 4
二次側電壓為 \(2400\text{ V}\),二次側電流為 \(0.50\text{ A}\),一次側電流為 \(5.0\text{ A}\),而從一次側電源看來,就像它正在向一個 \(48\ \Omega\) 的有效電阻供電。
匝數比給出
\[ \frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p} = 10 \]
所以
\[ V_s=(10)(240)=2400\text{ V} \]
二次側負載電流為
\[ I_s=\frac{V_s}{R_L} = \frac{2400}{4800} = 0.50\text{ A} \]
輸出功率為
\[ P_s=V_sI_s=(2400)(0.50)=1200\text{ W} \]
對理想變壓器而言,
\[ P_p=P_s=1200\text{ W} \]
因此,
\[ I_p=\frac{1200}{240}=5.0\text{ A} \]
一次側電源所「看見」的有效電阻為
\[ R_{\text{in}} = \frac{V_p}{I_p} = \frac{240}{5.0} = 48\ \Omega \]
現在推導一般關係。
對二次側負載而言,
\[ I_s=\frac{V_s}{R_L} \]
由理想功率守恆,
\[ V_pI_p=V_sI_s \]
所以
\[ I_p=\frac{V_sI_s}{V_p} \]
代入 \(I_s=V_s/R_L\),
\[ I_p = \frac{V_s^2}{V_pR_L} \]
因此,
\[ R_{\text{in}} = \frac{V_p}{I_p} = \frac{V_p^2R_L}{V_s^2} \]
由於
\[ \frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s} \]
可得
\[ R_{\text{in}} = \left(\frac{N_p}{N_s}\right)^2R_L \]
對這個變壓器而言,
\[ R_{\text{in}} = \left(\frac{1}{10}\right)^2(4800) = 48\ \Omega \]
困難的部分是如何解讀這個結果。
那個 \(4800\ \Omega\) 電阻器本身並沒有變成一個 \(48\ \Omega\) 電阻器。如果把它拆下並量度其電阻,它仍然會是 \(4800\ \Omega\)。
真正發生的是,變壓器改變了一次側電源所看到的電壓與電流之間的關係。從電源的角度看,在 \(240\text{ V}\) 下抽取 \(5.0\text{ A}\),所對應的 \(V/I\) 關係與一個 \(48\ \Omega\) 電阻性負載相同。
一個容易走入的思路,是認為理想變壓器只是「改變電壓」。功率守恆表示,它也必須改變電源所提供的電流。這就是為甚麼一側的負載,從另一側看起來可以具有不同的有效電阻。
題目 5
一個理想變壓器接到一個理想 \(240\text{ V}\) 交流電源,其二次側電壓為 \(24\text{ V}\)。
考慮以下三種互相獨立的情況。
情況 A: 二次側端子保持開路。
情況 B: 一個 \(6.0\ \Omega\) 電阻器接在二次側兩端。
情況 C: 二次側端子使用一條電阻為零的理想導線直接連接在一起。
對每種情況,判斷理想模型對二次側電流和一次側電流的預測。
然後解釋為甚麼情況 C 不存在有限的穩態電流,以及為甚麼這並不代表能量守恆失效。
假設採用標準理想變壓器模型,包括零內部電阻和理想一次側電壓源。
解答 5
情況 A 的二次側電流以及由負載引起的一次側電流均為零;情況 B 有 \(I_s=4.0\text{ A}\) 和 \(I_p=0.40\text{ A}\);而在題目所述的理想模型中,情況 C 不存在有限的穩態電流。
在情況 A 中,二次側為開路。
二次側仍然有
\[ V_s=24\text{ V} \]
的電壓,但由於沒有封閉電路,
\[ I_s=0 \]
因此傳輸到負載的功率為
\[ P_s=V_sI_s=(24)(0)=0 \]
而在理想模型中,相應的由負載引起的一次側電流同樣為零:
\[ I_p=0 \]
這是第一個重要結果:可以存在電壓,而沒有電流流動或功率輸出。
在情況 B 中,
\[ I_s=\frac{V_s}{R} = \frac{24}{6.0} = 4.0\text{ A} \]
輸出功率為
\[ P_s=V_sI_s=(24)(4.0)=96\text{ W} \]
所以輸入功率同樣為
\[ P_p=96\text{ W} \]
以及
\[ I_p=\frac{96}{240}=0.40\text{ A} \]
現在考慮情況 C。
題目指定導線的電阻為零。如果理想變壓器仍然在這條零電阻路徑兩端維持 \(24\text{ V}\),那麼根據歐姆定律,
\[ I_s=\frac{V_s}{R} = \frac{24}{0} \]
這個電流不存在有限數值。
當 \(R\) 趨近於零,而 \(V_s\) 保持固定時,模型所預測的電流會無限增大:
\[ I_s\rightarrow\infty \]
所需的二次側功率
\[ P_s=V_sI_s \]
同樣不存在有限數值,而理想功率守恆將要求一次側電流也相應地無限增大。
一個很自然的反應是認為這不可能,因為變壓器不能創造無限的能量。這個質疑確實指出了一個真實問題,但問題並不在於能量守恆失效。
真正的問題是這一整組理想化假設。
我們同時假設了以下所有條件:
- 一個理想電源,無論電流多大,都能精確維持 \(240\text{ V}\),
- 一個沒有內部電阻或其他損失的理想變壓器,以及
- 一個電阻精確等於零的二次側短路。
這些假設把所有在真實情況下會限制電流的物理效應都移除了。因此,所得模型沒有有限的穩態解。
真實變壓器確實具有線圈電阻、漏磁效應、電源阻抗,以及其他限制電流的行為。在嚴重短路時,其端電壓也可能下降,而保護裝置可能會把電路斷開。
所以,情況 C 顯示的是理想模型的適用邊界。它並沒有推翻
\[ P_p=P_s \]
這條規則。
相反,它說明:當模型同時假設一個能提供無限電流的理想電源時,功率守恆本身並不會對功率設定一個固定上限。
這就是 \(V_pI_p=V_sI_s\) 背後更深一層的含義:這條方程保證兩側之間的能量傳輸守恆,但實際傳輸多少功率,仍然由完整電路決定。
09由此可以進一步理解甚麼
一旦 \(V_pI_p=V_sI_s\) 在物理上變得合理,變壓器為甚麼在輸電中如此有用,也會清楚得多。
對固定的傳輸功率,提高電壓可以使電流降低。由於輸電線中的發熱損耗會依照 \(P_{\text{loss}}=I^2R\) 的關係強烈取決於電流,因此降低電流可以大幅減少浪費的能量。
所以,電流與功率之間的關係不只是另一條需要背下來的變壓器方程。它是連接變壓器比值、能量守恆,以及高壓輸電為甚麼有效的橋樑。