Unit 12. Transfonners

Определения и обозначения

Трансформатор — электрическое устройство, которое передаёт энергию между цепями переменного тока и изменяет напряжение и силу тока. Он позволяет получить на выходе напряжение, подходящее для передачи энергии или питания оборудования. Важно помнить, что трансформатор не создаёт энергию, а передаёт её от одной цепи к другой.

Первичная обмотка — катушка провода, подключённая к источнику переменного напряжения. По ней проходит ток, создающий меняющееся магнитное поле. Это название помогает понять, откуда начинается преобразование энергии.

Вторичная обмотка — катушка, в которой под действием меняющегося магнитного поля возникает напряжение. К ней обычно подключают нагрузку — устройство, потребляющее электрическую энергию. По выходному напряжению этой обмотки судят, как трансформатор изменил напряжение.

Коэффициент трансформации связывает напряжения обмоток и их числа витков. Для идеального трансформатора U₂/U₁ = N₂/N₁, где U — напряжение, N — число витков, а индексы 1 и 2 относятся к первичной и вторичной обмоткам. Эта пропорция нужна, чтобы определять выходное напряжение или сравнивать обмотки.

Как это устроено

Когда к первичной обмотке подключают источник переменного напряжения, ток в ней постоянно меняет величину и направление. Поэтому вокруг витков возникает изменяющееся магнитное поле, а не постоянное. Сердечник служит магнитным путём с малым сопротивлением для этого поля и направляет его к вторичной обмотке. Так энергия передаётся между цепями без их непосредственного электрического соединения.

Магнитное поле, проходя через витки вторичной обмотки, меняет магнитный поток внутри неё. Согласно явлению электромагнитной индукции, изменение потока вызывает электродвижущую силу — причину появления напряжения. Если к обмотке подключена нагрузка, это напряжение создаёт ток. Чем быстрее меняется магнитный поток и чем больше витков охвачено им, тем больше наведённое напряжение.

В идеальном трансформаторе напряжение каждой обмотки пропорционально числу её витков: U₂/U₁ = N₂/N₁. Это объясняется тем, что каждый виток охвачен примерно одинаково меняющимся магнитным потоком, поэтому большее число витков даёт большую суммарную электродвижущую силу. Если во вторичной обмотке витков больше, чем в первичной, выходное напряжение выше. Если витков меньше — ниже.

Повышающий трансформатор увеличивает напряжение, но уменьшает силу тока во вторичной цепи. Понижающий, наоборот, уменьшает напряжение и позволяет получить больший ток. Причина — сохранение мощности в идеальной модели: U₁I₁ = U₂I₂. Поэтому одновременно увеличить и напряжение, и ток трансформатор не может.

Реальный трансформатор не передаёт всю полученную энергию нагрузке. Часть энергии превращается в тепло из-за сопротивления провода обмоток, а в сердечнике возникают вихревые токи и потери при его многократном перемагничивании. Эти процессы нагревают устройство и уменьшают его КПД — долю входной мощности, переданную на выход. Сердечник делают из специальных пластин, чтобы уменьшить вихревые токи, однако полностью устранить потери нельзя.

Устройство и характеристики трансформатора

Сначала определите, какая обмотка подключена к источнику: она первичная, а другая — вторичная. Затем сравните N₁ и N₂, чтобы понять, повышается напряжение или понижается. Для расчётов используйте соответствующие обозначения напряжений и витков, не меняя местами индексы.

Разбор задач

Задача 1. Первичная обмотка содержит 400 витков, вторичная — 100 витков. Определите, повышающий это трансформатор или понижающий. Сравнивать нужно именно число витков вторичной обмотки с числом витков первичной, потому что на выходе напряжение связано с N₂/N₁. Меньшее число витков во вторичной обмотке указывает на уменьшение напряжения.

1. Запишем данные: N₁ = 400, N₂ = 100. Первичная обмотка подключена к источнику, поэтому её число витков берём за N₁. Такое обозначение помогает не перепутать вход и выход.

2. Сравним числа: 100 < 400, значит, N₂ < N₁. По соотношению U₂/U₁ = N₂/N₁ выходное напряжение будет меньше входного. Следовательно, трансформатор понижающий.

Ответ: понижающий трансформатор.

Задача 2. Идеальный трансформатор имеет 600 витков в первичной обмотке и 150 витков во вторичной. Напряжение на первичной обмотке равно 240 В. Найдите напряжение на вторичной. Используем пропорцию U₂/U₁ = N₂/N₁: она показывает, во сколько раз меняется напряжение вместе с числом витков.

1. Подставим данные в формулу: U₂/240 = 150/600. Отношение числа витков равно ¼, потому что 150 — четверть от 600. Значит, выходное напряжение также составит четверть входного.

2. Умножим обе части пропорции на 240 В: U₂ = 240 × 150/600 = 60 В. Проверка здравого смысла: вторичная обмотка имеет меньше витков, поэтому напряжение должно быть ниже 240 В. Полученные 60 В этому условию соответствуют.

Ответ: U₂ = 60 В.

Задача 3. Идеальный трансформатор понижает напряжение с 240 В до 12 В. Ток во вторичной цепи равен 5 А; найдите ток в первичной цепи. В идеальной модели входная и выходная мощности одинаковы, поэтому применяем U₁I₁ = U₂I₂. Поскольку напряжение уменьшается в 20 раз, ожидаем, что ток на входе будет в 20 раз меньше тока на выходе.

1. Запишем данные: U₁ = 240 В, U₂ = 12 В, I₂ = 5 А. Выразим неизвестный ток: I₁ = U₂I₂/U₁. Это следует из равенства мощностей после деления обеих частей на U₁.

2. Подставим значения: I₁ = 12 × 5/240 = 60/240 = 0,25 А. Проверим направление изменения: напряжение на выходе стало меньше, поэтому входной ток должен быть меньше вторичного. Результат 0,25 А меньше 5 А и согласуется с этим выводом.

Ответ: ток в первичной цепи равен 0,25 А.

Типичные ошибки

Считать, что трансформатор работает от постоянного тока, — ошибка, потому что для индукции нужен меняющийся магнитный поток. Её допускают, представляя магнитное поле как неизменное условие работы устройства. Проверка простая: спросите себя, меняется ли ток и, следовательно, магнитное поле; у постоянного тока после включения — нет.

Путаница первичной и вторичной обмоток приводит к неправильной записи формул. Первичную подключают к источнику, а вторичную — к нагрузке, но при расчётах легко принять за первичную обмотку ту, где напряжение больше. Проверяйте назначение, а не величину напряжения: источник определяет первичную обмотку.

Если перепутать отношение числа витков, можно ошибочно решить, что большее число витков означает меньшее напряжение. Такой вывод возникает при неверной записи дроби или механической подстановке чисел. Для проверки запишите U₂/U₁ = N₂/N₁ и убедитесь: при N₂ > N₁ должно получиться U₂ > U₁.

Нельзя считать, что трансформатор одновременно увеличивает и напряжение, и ток. Это кажется возможным, если рассматривать только одно изменение и забыть о мощности. Проверьте ответ по равенству U₁I₁ = U₂I₂: в идеальной модели рост напряжения сопровождается уменьшением тока, а падение напряжения — ростом тока.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу трансформатора, нужно знать электромагнитную индукцию: меняющийся магнитный поток вызывает электродвижущую силу. Также пригодятся понятия переменного тока и электрической мощности, которая выражается произведением напряжения на силу тока. Эти знания позволяют объяснить и наводимое напряжение, и противоположное изменение напряжения и тока.

Трансформаторы применяют в энергетике, источниках питания и электрическом оборудовании. При передаче электроэнергии напряжение повышают, чтобы снизить ток и уменьшить потери в проводах, а перед потребителем его понижают. В блоках питания трансформатор помогает получить напряжение, подходящее для устройства.

Что запомнить

• Трансформатор работает благодаря электромагнитной индукции.
• Для работы трансформатора необходимо переменное напряжение.
• Первичная обмотка подключена к источнику, вторичная — к нагрузке.
• Отношение напряжений равно отношению чисел витков в идеальном трансформаторе.
• Повышение напряжения сопровождается уменьшением силы тока.
• Реальные трансформаторы имеют потери энергии.