Трансформатор
Трансформатор — устройство, которое изменяет напряжение переменного тока без изменения его частоты. Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: переменный ток создаёт изменяющееся магнитное поле, а оно возбуждает ЭДС в другой катушке.
Устройство трансформатора
Основные части трансформатора — замкнутый сердечник из ферромагнитного материала и две изолированные обмотки, намотанные на сердечник. Обмотка, подключённая к источнику переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, к которой подключают потребитель, называется вторичной.
Сердечник делают из тонких изолированных пластин электротехнической стали. Такая конструкция уменьшает вихревые токи и нагрев сердечника. Сердечник замыкает магнитный поток и почти полностью направляет его через обе обмотки.
Трансформатор — электромагнитное устройство с двумя или несколькими обмотками на общем сердечнике, предназначенное для преобразования переменного напряжения и тока.
Принцип действия
При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток. Он создаёт переменный магнитный поток в сердечнике. Этот поток проходит через вторичную обмотку и изменяется со временем, поэтому во вторичной обмотке возникает индукционная ЭДС. Если вторичная цепь замкнута, по ней течёт переменный ток.
Таким образом, электрической связи между обмотками нет: энергия передаётся через переменное магнитное поле. Частота напряжения во вторичной цепи равна частоте напряжения в первичной цепи. Трансформатор не работает с постоянным током в установившемся режиме, потому что постоянный ток создаёт постоянный магнитный поток, а изменения потока нет.
Для идеального трансформатора отношение действующих напряжений равно отношению чисел витков обмоток: чем больше число витков, тем больше напряжение на этой обмотке.
Величина \(k\) называется коэффициентом трансформации. Если \(k>1\), трансформатор повышающий: \(U_2>U_1\). Если \(k<1\), трансформатор понижающий: \(U_2<U_1\). При \(k=1\) напряжение не изменяется, хотя из-за потерь мощность всё равно может отличаться.
Как изменится вторичное напряжение, если число витков вторичной обмотки увеличить в 2 раза, оставив первичную обмотку прежней?
Идеальный трансформатор и мощность
В идеальном трансформаторе отсутствуют потери энергии: сопротивление обмоток равно нулю, магнитный поток не рассеивается, сердечник не нагревается. Поэтому мощность, потребляемая первичной цепью, равна мощности, передаваемой во вторичную цепь.
Из равенства мощностей следует формула для токов:
Повышая напряжение, трансформатор в идеальном случае уменьшает силу тока во столько же раз. Понижая напряжение, он увеличивает силу тока. Поэтому нельзя рассуждать, что трансформатор одновременно увеличивает и напряжение, и ток без изменения мощности.
В реальном трансформаторе часть энергии превращается во внутреннюю энергию обмоток и сердечника. Поэтому \(P_2<P_1\). Коэффициент полезного действия определяется формулой \(\eta=\frac{P_2}{P_1}\cdot100\%\) и обычно близок к 100%, но не равен ему.
Расчётные задачи
В задачах сначала определите, какие величины относятся к первичной, а какие — ко вторичной обмотке. Затем выберите закон трансформации. Если требуется сила тока и трансформатор считают идеальным, используйте равенство мощностей.
К первичной обмотке трансформатора подключено напряжение \(U_1=220\ \text{В}\). Первичная обмотка имеет \(N_1=1100\) витков, вторичная — \(N_2=55\) витков. К вторичной обмотке подключён прибор сопротивлением \(R=5\ \Omega\). Найдём вторичное напряжение и силу тока в приборе.
1. Подставляют отношение витков наоборот: для напряжений \(U_2/U_1=N_2/N_1\). 2. Забывают, что трансформатор работает с переменным током. 3. Считают, что при повышении напряжения повышается и ток: в идеальном трансформаторе ток уменьшается. 4. Используют равенство \(P_1=P_2\) для реального трансформатора без оговорки об идеальности. 5. Путают действующее значение переменного напряжения с амплитудой.
Если в условии дана амплитуда синусоидального напряжения \(U_\text{м}\), а в формуле трансформации требуется действующее значение, используйте связь \(U=U_\text{м}/\sqrt{2}\). Однако при сравнении напряжений двух обмоток множитель \(\sqrt{2}\) сокращается, если оба значения относятся к одному и тому же типу.
Где применяют трансформаторы
Трансформаторы используют на электростанциях и подстанциях, в блоках питания, зарядных устройствах, измерительных приборах и сварочных аппаратах. При передаче электроэнергии напряжение повышают, чтобы при той же мощности уменьшить ток. Потери в проводах зависят от сопротивления и квадрата тока: \(P_\text{потерь}=I^2R\). Поэтому уменьшение тока снижает нагрев линий электропередачи. Перед потребителем напряжение снова понижают до безопасного значения.
Быстрый тест
Главное
- Трансформатор состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток.
- Его действие основано на электромагнитной индукции: переменный магнитный поток создаёт ЭДС во вторичной обмотке.
- Для идеального трансформатора \(U_2/U_1=N_2/N_1\), а \(U_1I_1=U_2I_2\).
- Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток; понижающий уменьшает напряжение и увеличивает ток.
- Трансформатор работает с переменным током, а в реальном устройстве часть энергии теряется.