§ 42 Получение и передача переменного электрического тока. Трансформатор

Определения и обозначения

Переменный ток — ток, который периодически изменяется по величине и меняет направление. Постоянный ток течёт в одном направлении, даже если его сила может изменяться; поэтому переменный ток нельзя сводить только к колебаниям силы. Для описания переменного тока используют силу тока I и время.

Генератор переменного тока — устройство, в котором механическая энергия превращается в электрическую благодаря электромагнитной индукции. Это явление состоит в возникновении ЭДС при изменении магнитного потока через контур. Генератор нужен, чтобы получать электричество за счёт вращения его частей.

Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока, состоящее из двух обмоток на общем сердечнике. Обмотка, подключённая к источнику, называется первичной, а подключённая к потребителю — вторичной. Трансформатор позволяет передавать энергию на нужном уровне напряжения.

Коэффициент трансформации k — отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной: k = N₁/N₂. Для идеального трансформатора также k = U₁/U₂. По этому отношению определяют, повышает или понижает устройство напряжение.

Как это устроено

Простейший генератор состоит из рамки, помещённой между полюсами магнита, и контактов, снимающих ток с вращающейся рамки. При её вращении меняется угол между рамкой и магнитным полем, поэтому меняется магнитный поток через рамку. По закону электромагнитной индукции это изменение вызывает ЭДС и ток в замкнутой цепи.

За половину оборота стороны рамки перемещаются относительно магнитного поля так, что магнитный поток начинает изменяться в противоположном направлении. Поэтому полярность возникающей ЭДС меняется, а вместе с ней меняется направление тока. За полный оборот такая смена повторяется, и ток периодически проходит то в одну, то в другую сторону.

При передаче энергии по проводам часть электрической энергии превращается во внутреннюю из-за сопротивления проводов. Мощность потерь выражается формулой Pпотерь = I²R, поэтому особенно сильно они зависят от силы тока. Для одной и той же мощности P = UI повышение напряжения уменьшает ток I, а значит, уменьшает нагрев проводов и потери.

В трансформаторе переменный ток первичной обмотки создаёт в железном сердечнике меняющееся магнитное поле. Это поле проходит через вторичную обмотку и изменяет магнитный поток внутри неё. Поэтому во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции, а при подключении потребителя — ток.

Напряжение обмоток связано с числом витков соотношением U₁/U₂ = N₁/N₂. Если во вторичной обмотке витков больше, чем в первичной, напряжение повышается; если меньше — понижается. В реальном трансформаторе часть энергии теряется, поэтому мощность на выходе немного меньше мощности на входе.

Сравнение первичной и вторичной обмоток трансформатора

Индексы 1 и 2 сохраняют связь между величинами: N₁ и U₁ относятся к первичной, а N₂ и U₂ — к вторичной обмотке. Сначала определите, какая обмотка подключена к источнику, затем подставляйте данные в формулу U₁/U₂ = N₁/N₂.

Разбор задач

Задача 1. В рамке генератора за время вращения направление тока изменилось. Объясните, почему это произошло.

1. Вращение рамки меняет магнитный поток через её площадь.
2. Изменение потока вызывает ЭДС индукции и ток.
3. После половины оборота характер изменения потока становится противоположным.
4. Поэтому полярность ЭДС и направление индукционного тока меняются.

Ответ: направление тока изменилось из-за изменения направления изменения магнитного потока при вращении рамки.

Задача 2. N₁ = 500, N₂ = 1000, U₁ = 12 В. Найдём U₂.

1. Используем соотношение U₁/U₂ = N₁/N₂.
2. Выразим вторичное напряжение: U₂ = U₁N₂/N₁.
3. Подставим значения: U₂ = 12 · 1000 / 500 = 24 В.
4. Вторичная обмотка содержит больше витков, поэтому трансформатор повышающий.

Ответ: U₂ = 24 В; трансформатор повышающий.

Задача 3. U₁ = 220 В, U₂ = 11 В, N₁ = 2000. Найдём N₂.

1. Из формулы U₁/U₂ = N₁/N₂ выразим N₂: N₂ = N₁U₂/U₁.
2. Подставим данные: N₂ = 2000 · 11 / 220 = 100 витков.
3. Вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная, значит, напряжение понижается.

Ответ: N₂ = 100 витков; трансформатор понижающий.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что переменный ток только меняет величину. Так путают его с пульсирующим током, у которого направление может оставаться одним и тем же. Проверьте себя: у переменного тока знак силы тока периодически меняется.

Ошибка 2. Думать, что ток во вторичной обмотке появляется из-за прямого соединения проводов. Обмотки разделены и связаны магнитным полем сердечника. Проверьте наличие электрической цепи: между обмотками её нет.

Ошибка 3. Путать первичную и вторичную обмотки. Первичная подключается к источнику, вторичная — к потребителю, поэтому сначала определите направление передачи энергии.

Ошибка 4. Переставлять числа витков в формуле и неверно определять тип трансформатора. Записывайте рядом пары U₁ и N₁, U₂ и N₂, а затем сравнивайте N₂ с N₁.

Связь с другими темами

Для понимания генератора нужны электромагнитная индукция и правило определения направления индукционного тока. Работа трансформатора опирается на магнитное поле, магнитный поток и электрическую мощность. Эти знания применяются при изучении передачи электроэнергии и устройства бытовых приборов.

Что запомнить

• Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электрическую.
• При вращении рамки в магнитном поле возникает переменная ЭДС.
• Переменный ток периодически меняет направление.
• Трансформатор работает с переменным током.
• Обмотки трансформатора связаны общим сердечником, но не соединены электрически.
• Напряжения обмоток относятся как числа их витков.
• Для уменьшения потерь при передаче энергии напряжение повышают.