20.09.2017, Среда, 03:11

Трансформатор.

Трансформатор - прибор для преобразования переменного напряжения, для изменения его размаха. Собственно, поэтому переменное напряжение и используется в электрической сети - из-за удобства его трансформации. 

Вспомним катушку индуктивности, описанную в самом начале: если через нее пропускать ток, у нее появляется магнитное поле. Если же ток через нее переменный, то и ее магнитное поле будет меняться с частотой изменения направления тока.

И еще мы знаем, что если рядом с катушкой находится источник переменного магнитного поля, на ее концах появляется переменное напряжение.

Итак, имеется катушка-электромагнит - источник переменного магнитного поля, и катушка-приемник, которая преобразует энергию этого поля в переменное напряжение. Если эти обе катушки надеть на один сердечник-магнитопровод, получится трансформатор. Магнитопровод нужен, чтобы магнитное поле не расходилось в окружающее пространство, для концентрации магнитного потока.

 

Так выглядят силовые линии катушки с током без сердечника:

На изображении же трансформатора (внизу) видно, что силовые линии магнитного потока концентрируются в сердечнике.

зм

                                Рис. 7

Магнитопровод трансформатора состоит из материала, содержащего магнитные домены - очень маленькие магнитики, при отсутствии внешнего магнитного поля ориентированные хаотически (беспорядочно):

При появлении внешнего магнитного поля (то есть, при пропускании тока через первичную обмотку трансформатора), домены разворачиваются вдоль магнитопровода,

при этом весь магнитопровод превращается в магнит, передавая это самое поле на вторичную обмотку.

В этот момент на выводах вторичной обмотки появляется напряжение.

Так как ток через первичную обмотку меняет направление 50 раз в секунду (такова частота напряжения в сети), с такой же частотой меняют ориентацию (направление) домены. А значит, и магнитное поле во второй катушке. Поэтому на второй катушке (на выходе трансформатора) появляется напряжение с той же самой частотой - 50 Гц.

 

Соотношение входного и выходного напряжения трансформатора равно соотношению количества витков в обмотках, потому, что напряжение в каждом витке трансформатора одинаково - как в первичной, так и во вторичной обмотке. Если, допустим, в первичной обмотке витков в два раза больше чем во вторичной, трансформатор понизит напряжение ровно вдвое. Напряжение в бытовой сети равно 220 В. Если левая (входная) обмотка состоит из 220 витков, напряжение на каждом витке будет один вольт - никакой фантастики, входное напряжение делится равномерно между входными витками. И каждый виток вторичной (правой) обмотки будет отдавать такое же напряжение - тот же 1 В. Нужно нам на выходе 10 В - мотаем 10 витков. Нужно 100 В - мотаем 100. Довольно просто.

 

Токи же в обмотках наоборот, обратно пропорциональны количеству витков в них. Больше витков - меньше ток, меньше витков - больше ток. 

Если в одной обмотке 10 витков, и ток через нее 10 ампер (10 А), а во второй обмотке 100 витков, то можно с уверенностью утверждать, что ток в ней 1 А. То есть, произведение напряжения на ток (а это есть мощность U*I) одинаково для обоих обмоток. В обоих обмотках - одинаковая мощность.

 

Допустим, трансформатор включен в электрическую сеть напряжением 220 В. Левая (первичная) обмотка содержит 220 витков провода. Правая (вторичная) - 10 витков. Напряжение на вторичной обмотке, подаваемое на лампу - 10 вольт. Если ток через лампу (а значит и во вторичной обмотке) равен, пусть, 2 А (потребляемая мощность 10 В * 2 А = 20 Вт), ток в первичной будет в 22 раза меньше - примерно 0,091 А. Мощность же в первичной обмотке - точно такая же - 0,091 А * 220 В = 20 Вт. Чудес не бывает - мощность и слева и справа одинаковая. 
Если же мы отключим нагрузку (лампу), ток во вторичной цепи упадет до нуля. Но и в первичной - тоже! Энергия не пропадает в никуда.
 
Трансформация электроэнергии необходима для ее передачи на большие расстояния. Вспомним нашу систему гидроэлектростанция-линия передачи-перфоратор. Катушка индуктивности перфоратора обладает определенным сопротивлением. Провода, по которым к ней через полстраны идет ток - тоже. Но ввиду своей протяженности, провода обладают гораздо большим сопротивлением, нежели катушка. Соответственно, на проводах выделится и большая мощность. То есть, большую часть энергии мы потеряем по дороге. Чтобы этого избежать, после электростанции ставится повышающий трансформатор, по линии передается высокое напряжение, а перед потребителем (перфоратором в нашем случае) - понижающий трансформатор.
При большем напряжении на линии, для передачи такой же мощности, требуется меньший ток. Вспомним: мощность это произведение напряжения и тока. А раз по линии идет меньший ток, стало быть в ней меньше потери.
 
Гидравлическая аналогия: для передачи энергии можно либо перегонять большое количество жидкости при малом давлении, либо малое количество жидкости при большом давлении. В первом случае велики потери на трение о стенки трубопровода и завихрения. Во втором же количество перегоняемой жидкости невелико, мала и ее скорость, а стало быть и потери.
 
Видео можно не смотреть дальше шестой - седьмой минуты.

Видео YouTube