"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Трансформатор изменяет напряжение переменного тока благодаря электромагнитной индукции. Он состоит из двух обмоток на общем сердечнике: одна подключается к источнику, другая — к потребителю. Отношение напряжений в идеальном трансформаторе равно отношению чисел витков обмоток. Повышая напряжение, устройство уменьшает силу тока, а понижая — увеличивает её; это помогает эффективно передавать электрическую энергию и использовать её в приборах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока с помощью электромагнитной индукции. Он позволяет передавать электрическую энергию при подходящем напряжении и получать напряжение, нужное приборам. Внутри устройства две обмотки связаны общим магнитным полем. Именно эта связь позволяет менять напряжение без непосредственного соединения обмоток.
Первичная обмотка — обмотка, подключённая к источнику переменного напряжения. Через неё проходит ток, создающий изменяющееся магнитное поле. Её обозначают индексом 1, поэтому напряжение на ней записывают как U₁, а число витков — N₁. По этим величинам задают входные условия задачи.
Вторичная обмотка — обмотка, в которой возникает напряжение для подключения потребителя. Её обозначают индексом 2: напряжение — U₂, число витков — N₂. Подключённый к ней прибор получает электрическую энергию. Сравнение числа витков обеих обмоток показывает, как изменится напряжение.
Коэффициент трансформации — отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной: k = N₁/N₂; для идеального трансформатора k = U₁/U₂. Он помогает по известным величинам найти неизвестное напряжение или число витков. При k > 1 вторичная обмотка имеет меньше витков и напряжение понижается, а при k < 1 напряжение повышается. При решении важно сохранять одинаковый порядок индексов в обоих отношениях.
Переменный ток в первичной обмотке создаёт изменяющееся магнитное поле, а замкнутый железный сердечник проводит магнитный поток через обе обмотки. Ток меняется со временем, поэтому меняется и магнитное поле вокруг первичной обмотки. Сердечник служит удобным путём для магнитного потока и связывает действие обмоток. Благодаря этому изменения поля доходят до вторичной обмотки эффективнее, чем если бы обмотки находились далеко друг от друга.
Изменение магнитного потока во вторичной обмотке вызывает в ней ЭДС индукции. ЭДС — это причина появления напряжения, которое может создать ток в замкнутой цепи потребителя. Если магнитный поток постоянен, его изменения нет и индуцированная ЭДС не возникает. Поэтому трансформатор работает с переменным током: он поддерживает непрерывное изменение поля, необходимое для индукции.
Напряжение на обмотках связано с числом их витков: чем больше витков во вторичной обмотке относительно первичной, тем выше выходное напряжение. Каждый виток обмотки участвует в действии меняющегося магнитного потока, поэтому увеличение числа витков увеличивает суммарную ЭДС. Для идеального трансформатора U₁/U₂ = N₁/N₂. Например, если вторичная обмотка содержит вдвое больше витков, чем первичная, её напряжение вдвое выше.
При повышении напряжения трансформатор уменьшает силу тока, а при понижении — увеличивает её. Причина в сохранении мощности: для идеального устройства U₁I₁ = U₂I₂. Если выходное напряжение больше входного, выходной ток должен быть меньше, иначе выходная мощность превысила бы входную. В реальном трансформаторе равенство приближённое, потому что часть энергии теряется.
Для передачи электроэнергии напряжение повышают, чтобы уменьшить силу тока и потери энергии на нагрев проводов. При заданной передаваемой мощности повышение напряжения позволяет передать её меньшим током. Нагрев проводов усиливается с ростом тока, поэтому уменьшение тока сокращает потери. Рядом с потребителями напряжение понижают, чтобы его можно было безопасно и удобно использовать в сетях и приборах.
| Характеристика | Первичная обмотка | Вторичная обмотка |
|---|---|---|
| Подключение или назначение | Подключается к источнику переменного напряжения | К ней подключают потребителя |
| Число витков | N₁ | N₂ |
| Напряжение | U₁ — входное | U₂ — выходное |
| Сила тока | I₁ — входной ток | I₂ — выходной ток |
| Соотношение параметров в идеальном трансформаторе | U₁/U₂ = N₁/N₂; U₁I₁ = U₂I₂ | U₂/U₁ = N₂/N₁; I₂/I₁ = U₁/U₂ |
Сначала определите, какая обмотка соединена с источником: это первичная, а подключённая к нагрузке — вторичная. Затем найдите в таблице соответствующие обозначения и выберите нужное соотношение. Равенства мощности применяйте для идеального трансформатора; у реального устройства выходная мощность меньше.
Первичная обмотка содержит 500 витков, вторичная — 100. Напряжение на первичной обмотке равно 220 В. Найдите напряжение на вторичной и определите, повышает или понижает напряжение трансформатор. В условии известны N₁, N₂ и U₁, поэтому удобно использовать связь напряжений с числами витков.
Проверка здравого смысла подтверждает результат: во вторичной обмотке в пять раз меньше витков, значит, и напряжение должно быть в пять раз меньше. Деление 220 В на 5 даёт 44 В. Ответ: U₂ = 44 В, трансформатор понижает напряжение.
Трансформатор понижает напряжение с 220 В до 22 В. В первичной обмотке 1100 витков. Требуется найти число витков вторичной обмотки. Так как известны оба напряжения и N₁, используем отношение напряжений и витков.
Напряжение уменьшилось в 10 раз, поэтому в идеальном трансформаторе число витков вторичной обмотки тоже должно быть в 10 раз меньше. 1100/10 = 110, что совпадает с вычислением. Ответ: N₂ = 110 витков.
Идеальный трансформатор понижает напряжение с 220 В до 11 В. Сила тока во вторичной обмотке равна 4 А. Найдите силу тока в первичной обмотке. Здесь не требуется число витков: величины связаны равенством входной и выходной мощностей.
Выходное напряжение в 20 раз меньше входного, поэтому первичный ток должен быть в 20 раз меньше вторичного. 4 А/20 = 0,2 А, что подтверждает расчёт. Ответ: I₁ = 0,2 А.
Считать, что трансформатор изменяет постоянное напряжение, — ошибка: для индукции нужен меняющийся магнитный поток. Её допускают, потому что трансформатор включают в электрическую цепь и путают его действие с обычным изменением напряжения источником. Проверьте себя вопросом: меняется ли поле в сердечнике со временем? При постоянном токе после переходного процесса оно постоянно, поэтому трансформатор не поддерживает выходное напряжение.
Если перепутать первичную и вторичную обмотки или местами поставить параметры в отношении U₁/U₂ = N₁/N₂, получится неверный результат. Обычно это происходит, когда индексы 1 и 2 не выписывают рядом с данными задачи. Сначала пометьте обмотку источника как первичную, а обмотку потребителя — как вторичную. Затем проверьте, что в обеих частях формулы параметры идут в одинаковом порядке.
При повышении напряжения нельзя считать, что одновременно повышается и сила тока. Такая мысль возникает, если помнить только о росте напряжения и забыть о сохранении мощности. В идеальном трансформаторе U₁I₁ = U₂I₂, поэтому при увеличении напряжения ток уменьшается. Проверка: произведение напряжения на ток на входе и выходе должно совпадать.
Равенство входной и выходной мощностей не является точным для реального трансформатора. Его используют как приближение, забывая, что обмотки нагреваются, а в сердечнике и других частях возникают потери. У реального устройства часть полученной энергии не передаётся потребителю. Уточните в условии, идеален ли трансформатор: если нет, не утверждайте, что мощности равны точно.
Для понимания работы трансформатора нужны знания об электромагнитной индукции и переменном токе. Изменяющийся магнитный поток вызывает ЭДС, а постоянный ток не обеспечивает непрерывного изменения поля. Чтобы решать задачи на токи, полезно помнить формулу мощности P = UI. Она объясняет, почему в идеальном трансформаторе напряжение и сила тока изменяются обратно пропорционально.
Трансформаторы применяют в электросетях при передаче и распределении электроэнергии. На линиях передачи напряжение повышают, чтобы уменьшить ток и потери на нагрев проводов. Перед тем как энергия поступит потребителям, напряжение понижают. Трансформаторы также входят в источники питания электрических устройств, которым требуется определённое напряжение.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
При постоянном токе магнитное поле после включения перестаёт изменяться. Поэтому магнитный поток через вторичную обмотку не меняется и ЭДС индукции в ней не возникает. Кратковременный процесс возможен только при включении или выключении цепи.
Как определить, повышает трансформатор напряжение или понижает?
Сравните число витков вторичной и первичной обмоток. Если N₂ больше N₁, напряжение повышается; если N₂ меньше N₁ — понижается. Это следует из соотношения U₁/U₂ = N₁/N₂.
Почему при повышении напряжения уменьшается сила тока?
В идеальном трансформаторе входная и выходная мощности равны: U₁I₁ = U₂I₂. Если напряжение возрастает, сила тока должна уменьшиться, чтобы произведение напряжения на ток осталось прежним. Поэтому напряжения и токи изменяются в противоположных направлениях.
Почему для передачи электричества используют высокое напряжение?
При передаче одной и той же мощности более высокое напряжение позволяет уменьшить силу тока. Провода нагреваются из-за тока, поэтому уменьшение тока снижает потери энергии. Перед потребителями напряжение понижают до подходящего значения.
Почему мощность реального трансформатора на выходе меньше, чем на входе?
Часть энергии превращается в тепло в обмотках и сердечнике. Есть и другие потери, например связанные с вихревыми токами в сердечнике. Поэтому выходная мощность реального трансформатора меньше входной.
§ 38. Трансформаторы
