"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Трансформатор — устройство, которое изменяет напряжение переменного тока за счёт электромагнитной индукции. Он помогает передавать электроэнергию на большие расстояния и получать нужное напряжение для приборов. Его действие основано на изменении магнитного потока в общем сердечнике: этот поток связывает две обмотки. В идеальной модели отношение напряжений равно отношению числа витков, а при изменении напряжения сила тока меняется в противоположную сторону.
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 получать напряжение, подходящее для передачи энергии или работы электроприборов. В простейшем трансформаторе есть две обмотки и общий сердечник.
Первичная обмотка — обмотка, подключённая к источнику переменного напряжения. По ней течёт переменный ток, создающий изменяющееся магнитное поле. Её обозначают индексом 1, поэтому число витков и напряжение первичной обмотки записывают как N₁ и U₁.
Вторичная обмотка — обмотка, в которой возникает переменное напряжение, передаваемое нагрузке. Нагрузка — устройство, которое потребляет электрическую энергию, например лампа. Для вторичной обмотки используют индекс 2: N₂ — число витков, U₂ — напряжение.
Коэффициент трансформации — отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной: k = N₁/N₂. В принятой здесь записи для идеального трансформатора k = U₁/U₂, то есть отношение напряжений равно отношению числа витков в том же порядке. Это обозначение помогает определить, во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение.
Обмотки наматывают на общий замкнутый сердечник, потому что он хорошо проводит магнитный поток и направляет его по замкнутому пути. Без сердечника значительная часть потока рассеивалась бы в окружающем пространстве и не связывала вторичную обмотку. Сердечник помогает большему числу магнитных силовых линий проходить через витки обеих обмоток, поэтому передача энергии получается эффективнее.
Когда к первичной обмотке подключают источник переменного напряжения, в ней течёт переменный ток. Ток создаёт магнитное поле, направление и величина которого меняются со временем. Сердечник проводит созданный этим током магнитный поток через вторичную обмотку; именно изменение потока, а не просто его наличие, важно для дальнейшего эффекта.
По закону электромагнитной индукции изменение магнитного потока через виток вызывает ЭДС индукции. Во вторичной обмотке таких витков N₂, поэтому суммарная ЭДС зависит от их количества. Для идеального трансформатора напряжения связаны соотношением U₂/U₁ = N₂/N₁: больше витков во вторичной обмотке означает большее напряжение на ней. Идеальность здесь означает, что потерями энергии пренебрегают.
Повышающий трансформатор имеет N₂ > N₁ и U₂ > U₁, а понижающий — N₂ < N₁ и U₂ < U₁. Но в идеальной модели мощность сохраняется: U₁I₁ = U₂I₂, где I₁ и I₂ — токи в обмотках. Поэтому при повышении напряжения выходной ток уменьшается, а при понижении напряжения ток возрастает. Это позволяет передавать большую мощность при разных значениях напряжения и тока.
Трансформатору нужен переменный ток, потому что только меняющийся ток создаёт непрерывно изменяющийся магнитный поток и ЭДС во вторичной обмотке. При постоянном токе поток после краткого переходного процесса становится постоянным, и индукция прекращается. В реальном устройстве энергия теряется на нагрев проводов, вихревые токи и перемагничивание сердечника. Потери уменьшают, используя провода с малым сопротивлением, сердечник из тонких изолированных пластин и подходящие магнитные материалы.
| Параметр | Первичная обмотка | Вторичная обмотка |
|---|---|---|
| Подключение и назначение | Подключена к источнику переменного напряжения | Подключена к нагрузке и передаёт ей энергию |
| Число витков | N₁ | N₂ |
| Напряжение | U₁ | U₂ |
| Сила тока | I₁ | I₂ |
| Связь с другой обмоткой | U₂/U₁ = N₂/N₁; U₁I₁ = U₂I₂ | U₂/U₁ = N₂/N₁; U₁I₁ = U₂I₂ |
Сначала по назначению определите, где источник, а где нагрузка: так вы не перепутаете индексы 1 и 2. Затем сравните число витков, чтобы понять, повышается или понижается напряжение. Строка о токах позволяет проверить результат по равенству мощностей идеального трансформатора.
Задача 1. Первичная обмотка содержит 500 витков, вторичная — 100 витков. На первичную подано напряжение 220 В. Найдите напряжение на вторичной обмотке идеального трансформатора.
Ответ: U₂ = 44 В; трансформатор понижающий.
Задача 2. Идеальный трансформатор понижает напряжение с 220 В до 22 В. Сила тока во вторичной обмотке равна 2 А. Найдите силу тока в первичной обмотке.
Ответ: I₁ = 0,2 А.
Задача 3. Трансформатор с КПД 90% преобразует напряжение 220 В в 11 В. При токе вторичной обмотки 10 А найдите потребляемую мощность и силу тока в первичной обмотке.
Ответ: потребляемая мощность примерно 122 Вт, сила тока в первичной обмотке примерно 0,56 А.
Ошибка: считать, что трансформатор изменяет постоянное напряжение так же, как переменное. Её допускают, путая наличие магнитного поля с его изменением: для индукции нужен меняющийся магнитный поток. Проверьте себя: спросите, меняется ли ток в первичной обмотке; при постоянном токе после включения — нет.
Ошибка: переставлять числа витков в формуле U₂/U₁ = N₂/N₁. Так можно ошибочно решить, что напряжение повышается, хотя во вторичной обмотке витков меньше. Подставляйте индексы в одном порядке и проверяйте вывод: большее число витков должно соответствовать большему напряжению.
Ошибка: полагать, что при повышении напряжения растёт и сила тока. Такое ожидание возникает из-за представления, будто все электрические величины должны меняться в одну сторону. Для идеальной модели проверьте равенство U₁I₁ = U₂I₂: если напряжение возрастает, ток при той же мощности уменьшается.
Ошибка: приравнивать входную и выходную мощности реального трансформатора. Это верно только в идеальной модели, тогда как в реальном устройстве часть энергии уходит на нагрев и другие потери. Проверьте условие задачи: если указан КПД меньше 100%, используйте P₂ = ηP₁, а не равенство мощностей.
Чтобы понять работу трансформатора, нужно знать электромагнитную индукцию и магнитный поток: именно его изменение вызывает ЭДС. Также нужны понятия переменного тока, напряжения, силы тока и мощности, потому что они описывают режим работы обмоток и передачу энергии.
Трансформаторы важны для передачи электроэнергии. На линиях напряжение повышают, чтобы уменьшить ток и потери на нагрев проводов, а перед подачей потребителям его понижают. Так принцип трансформатора связывает изучение электрических цепей с устройством энергосистем.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
При постоянном токе после включения магнитный поток перестаёт изменяться. Поэтому во вторичной обмотке не возникает постоянной ЭДС индукции. Кратковременный эффект возможен только в момент включения или изменения тока.
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 равенства U₂/U₁ = N₂/N₁ для идеального трансформатора.
Почему при увеличении напряжения сила тока уменьшается?
В идеальном трансформаторе входная и выходная мощности равны: U₁I₁ = U₂I₂. Поэтому при росте напряжения ток должен уменьшаться, чтобы произведение напряжения на ток оставалось тем же.
Зачем обмотки трансформатора наматывают на сердечник?
Сердечник из ферромагнитного материала направляет магнитный поток и связывает им обе обмотки. Благодаря этому большая часть потока, созданного первичной обмоткой, пронизывает витки вторичной.
Почему мощность на выходе реального трансформатора меньше мощности на входе?
Часть энергии превращается в тепло из-за сопротивления проводов и вихревых токов в сердечнике. Также энергия теряется при перемагничивании сердечника. Поэтому КПД реального трансформатора меньше 100%.
§ 37. Трансформатор
