"Физика", Б.Кронгарт, Ш.Насохова, С.Туякбаев, В.Кем, В.Загайнова
Трансформатор — устройство, которое с помощью электромагнитной индукции изменяет напряжение переменного тока. Его используют, чтобы передавать электроэнергию при высоком напряжении, а затем понижать его до значений, подходящих для бытовых приборов. Напряжение зависит от числа витков в обмотках: чем больше витков во вторичной обмотке относительно первичной, тем выше выходное напряжение. При этом в идеальном трансформаторе мощность сохраняется, а сила тока меняется в обратном отношении.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Трансформатор — устройство для преобразования переменного напряжения и силы тока на основе электромагнитной индукции. Он позволяет получить нужное напряжение, например повысить его при передаче электроэнергии или понизить перед подачей в бытовую сеть. Работа трансформатора связана с двумя обмотками и общим сердечником.
Первичная обмотка — обмотка, к которой подключают источник переменного напряжения. Ток в ней создаёт изменяющееся магнитное поле, необходимое для передачи энергии ко второй обмотке. Поэтому первичная обмотка запускает работу трансформатора.
Вторичная обмотка — обмотка, в которой возникает переменное напряжение и к которой подключают нагрузку, то есть устройство, потребляющее электрическую энергию. Если цепь замкнута через нагрузку, по ней течёт ток. Именно параметры вторичной обмотки определяют, какое питание получит подключённое устройство.
Коэффициент трансформации — отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной: k = N₁/N₂. Для идеального трансформатора это отношение равно отношению напряжений: k = U₁/U₂. По числу витков можно заранее определить, будет ли напряжение повышаться или понижаться.
Когда к первичной обмотке подключён источник переменного напряжения, ток в ней периодически меняет величину и направление. Вокруг обмотки возникает изменяющееся магнитное поле, которое создаёт магнитный поток в сердечнике. Сердечник делают из материала, хорошо проводящего магнитный поток, и замыкают так, чтобы поток проходил через область обеих обмоток. Поэтому одно и то же изменяющееся поле связывает первичную и вторичную обмотки.
Магнитный поток через вторичную обмотку меняется со временем, а значит, меняется и магнитное поле, пронизывающее её витки. По закону электромагнитной индукции это изменение вызывает ЭДС — напряжение, возникающее вследствие изменения магнитного потока. Если к вторичной обмотке подключить нагрузку и замкнуть цепь, под действием напряжения в ней потечёт ток. Без нагрузки напряжение может быть, но ток в замкнутой внешней цепи не течёт.
В идеальном трансформаторе напряжение на каждой обмотке пропорционально числу её витков: U₁/U₂ = N₁/N₂. Это можно понять так: каждый виток охватывает изменяющийся магнитный поток и получает ЭДС, поэтому большее число витков даёт большую суммарную ЭДС. Индексы в формуле должны совпадать: напряжение первой обмотки сопоставляют с числом витков первой, а второй — со вторым.
Повышающий трансформатор имеет во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной: N₂ > N₁. Из формулы следует, что тогда U₂ > U₁. У понижающего трансформатора, наоборот, N₂ < N₁, поэтому U₂ < U₁. Само название указывает на изменение напряжения, а не на увеличение или уменьшение числа витков в первичной обмотке.
В идеальном трансформаторе нет потерь энергии, поэтому мощность на входе равна мощности на выходе: U₁I₁ = U₂I₂. Если напряжение повышается, сила тока во вторичной обмотке уменьшается, и наоборот. В реальном устройстве часть энергии нагревает провода и сердечник, поэтому выходная мощность меньше входной; равенство мощностей здесь служит приближением.
| Характеристика | Повышающий | Понижающий |
|---|---|---|
| Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток | N₂ > N₁ | N₂ < N₁ |
| Соотношение напряжений | U₂ > U₁ | U₂ < U₁ |
| Изменение силы тока | Сила тока на выходе уменьшается | Сила тока на выходе увеличивается |
| Типичное применение | Повышение напряжения при передаче электроэнергии | Понижение напряжения для питания устройств |
Чтобы определить тип трансформатора, сравните число витков вторичной обмотки с числом витков первичной. Затем проверьте вывод по напряжениям: большее число витков должно соответствовать большему напряжению. Изменение силы тока в идеальном случае происходит в обратном направлении.
Первичная обмотка содержит 600 витков, вторичная — 120 витков, напряжение на первичной обмотке равно 220 В. Требуется найти напряжение на вторичной обмотке и определить тип трансформатора. Сначала сопоставим числа витков: во вторичной обмотке их меньше. Значит, ожидаем понижение напряжения.
Напряжение на вторичной обмотке равно 44 В. Трансформатор понижающий, поскольку число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной.
На вторичной обмотке трансформатора напряжение 12 В, нагрузка имеет сопротивление 6 Ом. Нужно найти ток во вторичной цепи и мощность нагрузки. Здесь используем только напряжение и сопротивление этой цепи: параметры первичной обмотки для такого расчёта не нужны.
Сила тока во вторичной обмотке равна 2 А, мощность нагрузки — 24 Вт. Результат можно проверить формулой P = I₂²R: 2² · 6 = 24 Вт.
Идеальный трансформатор понижает напряжение с 220 В до 11 В. В первичной обмотке 1000 витков, а ток равен 0,25 А. Найдём число витков вторичной обмотки и ток в ней. Сначала рассчитаем витки по отношению напряжений, а затем применим равенство мощностей.
Во вторичной обмотке 50 витков, сила тока в ней равна 5 А. Ток оказался больше первичного, потому что трансформатор понижает напряжение в 20 раз, а идеальная мощность при этом сохраняется.
Ошибка — считать, что трансформатор работает с постоянным током. Так думают, потому что источник может поддерживать ток в первичной цепи, но трансформатору важно не само наличие тока, а изменение магнитного потока. После включения постоянного тока поток становится постоянным, и ЭДС во вторичной обмотке не возникает. Проверьте себя: есть ли в задаче переменный ток или изменяющееся магнитное поле?
Можно перепутать первичную и вторичную обмотки либо неверно расположить величины в формуле U₁/U₂ = N₁/N₂. Тогда ответ может противоречить числу витков: например, меньшему числу витков будет приписано большее напряжение. Перед расчётом подпишите индексы и проверьте, что обе части отношения сравнивают параметры одноимённых обмоток.
Повышение напряжения иногда ошибочно принимают за увеличение мощности. В идеальном трансформаторе мощность сохраняется, поэтому при росте напряжения сила тока уменьшается. Проверьте результат по формуле U₁I₁ = U₂I₂: если напряжение выросло, но ток не изменился, равенство нарушено.
Нельзя без оговорки считать, что мощность реального трансформатора на входе точно равна мощности на выходе. Такое равенство относится к идеальной модели, а в настоящем устройстве часть энергии теряется на нагрев обмоток и другие процессы. Уточните в условии, идеальный ли трансформатор рассматривается; если реальный, учитывайте потери или КПД, когда они заданы.
Для понимания работы трансформатора нужны знания об электромагнитной индукции и магнитном потоке: именно изменяющееся поле создаёт ЭДС во вторичной обмотке. При решении задач пригодятся закон Ома, формула мощности электрического тока и умение работать с отношениями величин. На практике трансформаторы используют при передаче электроэнергии и для согласования напряжений с требованиями электрических устройств.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
При постоянном токе магнитный поток после включения перестаёт изменяться. Поэтому во вторичной обмотке не индуцируется ЭДС, необходимая для появления напряжения.
Как определить, повышающий трансформатор или понижающий?
Сравните число витков вторичной и первичной обмоток. Если во вторичной витков больше, трансформатор повышающий; если меньше — понижающий.
Почему при повышении напряжения сила тока уменьшается?
В идеальном трансформаторе входная мощность равна выходной: U₁I₁ = U₂I₂. Поэтому при увеличении напряжения ток на выходе уменьшается, чтобы произведение напряжения на ток осталось прежним.
Как найти напряжение на вторичной обмотке по числу витков?
Используйте соотношение U₁/U₂ = N₁/N₂, где N — число витков. Отсюда U₂ = U₁N₂/N₁.
Почему мощность реального трансформатора на выходе меньше, чем на входе?
Часть энергии превращается в тепло из-за сопротивления обмоток и потерь в сердечнике. Поэтому выходная мощность реального трансформатора меньше входной.
§ 2.10. Трансформатор
