"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Электромагнитная индукция позволяет получать электрический ток и изменять его напряжение. В генераторе вращение рамки или магнита меняет магнитный поток через обмотку, поэтому возникает переменная ЭДС и ток. Трансформатор использует переменное магнитное поле, чтобы передать энергию между обмотками и повысить или понизить напряжение. Эти устройства лежат в основе электростанций и передачи электричества на большие расстояния.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический генератор — устройство, превращающее механическую энергию в электрическую благодаря электромагнитной индукции. Для этого рамку вращают в магнитном поле или вращают магнит относительно обмотки. Такое устройство нужно, чтобы получать электричество на электростанциях и в других установках.
Переменный ток — ток, сила и направление которого периодически изменяются. Он возникает, когда меняется магнитный поток через обмотку генератора и вместе с ним — ЭДС индукции. Переменный ток используют в электросетях, а его параметры можно изменять трансформатором.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока посредством электромагнитной индукции. Его первичная обмотка подключена к источнику, а вторичная соединена с нагрузкой; обе обмотки находятся на общем сердечнике. Трансформатор нужен, чтобы передавать электрическую энергию при подходящем для сети напряжении.
Коэффициент трансформации k — отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной: k = N₁/N₂. В идеальном трансформаторе оно равно отношению напряжений: k = U₁/U₂. Сравнение числа витков помогает определить, будет ли устройство повышать или понижать напряжение.
Когда рамка вращается в магнитном поле, меняется угол между её плоскостью и магнитным полем, а значит — магнитный поток через рамку. По закону электромагнитной индукции изменение потока вызывает ЭДС. Если цепь замкнута, под действием этой ЭДС заряды начинают двигаться, и появляется ток. По мере вращения направление изменения потока меняется, поэтому меняется направление тока.
В генераторе переменного тока периодическое изменение потока создаёт вращение рамки или магнита. Концы рамки соединяют с контактными кольцами, которые вращаются вместе с ней, а неподвижные щётки прижимаются к кольцам. Так электрический ток попадает во внешнюю цепь, хотя часть генератора движется. Поскольку вращение продолжается, ЭДС и ток в цепи периодически меняют направление.
В первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток, поэтому создаваемое им магнитное поле меняется во времени. Общий сердечник направляет магнитный поток через обе обмотки. Изменяющийся поток во вторичной обмотке вызывает ЭДС индукции, а при подключённой нагрузке — ток. Так энергия передаётся от первичной цепи ко вторичной без непосредственного электрического соединения обмоток.
В идеальном трансформаторе напряжения соотносятся как числа витков: U₁/U₂ = N₁/N₂. Если во вторичной обмотке витков больше, напряжение на ней выше; если меньше — ниже. При этом мощность сохраняется: U₁I₁ = U₂I₂, поэтому увеличению напряжения соответствует уменьшение силы тока. Реальный трансформатор имеет потери, но принцип изменения напряжения остаётся тем же.
При передаче электричества по проводам часть энергии превращается в тепло. При заданной мощности повышение напряжения позволяет уменьшить силу тока, а тепловые потери в проводах зависят от квадрата силы тока. Поэтому напряжение сначала повышают трансформаторами, а перед подачей в дома и другие места потребления понижают до нужного уровня.
| Устройство | Что изменяется | Результат | Назначение |
|---|---|---|---|
| Генератор переменного тока | Магнитный поток через обмотку | Возникают ЭДС индукции и переменный ток | Преобразование механической энергии в электрическую |
| Трансформатор | Магнитное поле и поток в сердечнике | Меняется напряжение во вторичной обмотке | Повышение или понижение напряжения переменного тока |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите устройство, а затем проследите цепочку от изменяющейся величины к результату. Генератор создаёт ток за счёт изменения потока при движении, а трансформатор меняет напряжение благодаря изменяющемуся полю в сердечнике. Оба устройства основаны на электромагнитной индукции, но выполняют разные задачи.
В рамке генератора магнитный поток за 0,02 с равномерно изменился от 0,04 Вб до 0. Найдём модуль средней ЭДС индукции. Направление ЭДС для этого расчёта не требуется, поскольку нужно только её числовое значение.
Ответ: средняя ЭДС индукции равна 2 В.
Первичная обмотка трансформатора содержит 1000 витков, вторичная — 200. К первичной обмотке приложено напряжение 220 В. Найдём напряжение на вторичной обмотке идеального трансформатора и определим, повышает он напряжение или понижает.
Ответ: напряжение вторичной обмотки равно 44 В, трансформатор понижающий.
Идеальный трансформатор понижает напряжение с 10 кВ до 250 В, а мощность нагрузки равна 5 кВт. Требуется найти отношение числа витков первичной и вторичной обмоток и силу тока в первичной цепи. Сначала свяжем витки с напряжениями, затем используем равенство мощностей.
Ответ: N₁/N₂ = 40, сила тока в первичной цепи равна 0,5 А.
Считать, что трансформатор работает на постоянном токе. Это неверно: установившийся постоянный ток не создаёт меняющегося магнитного потока, необходимого для ЭДС во вторичной обмотке. Ошибка возникает из-за того, что сердечник и обмотки сами по себе кажутся достаточными для передачи тока. Проверьте себя: в условии должна быть причина изменения магнитного потока во времени.
Путать первичную и вторичную обмотки или порядок витков. Коэффициент k записывают как N₁/N₂, где первичная обмотка подключена к источнику, а вторичная — к нагрузке. Ошибка часто появляется, если ориентироваться только на то, какая обмотка имеет больше витков. Перед вычислением подпишите индексы и проверьте, что применяете одну и ту же последовательность для витков и напряжений.
Считать, что при повышении напряжения растёт и сила тока. Для идеального трансформатора мощность на входе и выходе одинакова, поэтому при большем напряжении сила тока меньше. Заблуждение возникает, если рассматривать напряжение отдельно от мощности. Проверка проста: сравните произведения U₁I₁ и U₂I₂.
Учитывать только начальный или конечный магнитный поток. ЭДС зависит от изменения потока за промежуток времени, а не от одного его значения. Ошибка возникает, когда не вычисляют разность между конечным и начальным потоками. Запишите ΔΦ = Φ₂ − Φ₁ и разделите модуль изменения на Δt.
Для понимания генератора и трансформатора нужны магнитный поток, закон электромагнитной индукции и правило Ленца: они объясняют появление ЭДС и её направление. В задачах на трансформатор пригодятся формулы мощности и закон Ома для участка цепи. Эти знания применяют при изучении электростанций, электрических сетей и бытовых приборов. Например, передача энергии по линиям электропередачи использует повышение и последующее понижение напряжения.
Почему генератор вырабатывает переменный ток?
При вращении рамки или магнита магнитный поток через обмотку периодически меняется. Поэтому периодически меняются ЭДС и направление тока во внешней цепи.
Может ли трансформатор работать на постоянном токе?
В обычном режиме трансформатору нужен переменный ток: он создаёт меняющееся магнитное поле, которое индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. При постоянном токе после краткого переходного процесса поток не меняется, и ЭДС во вторичной обмотке не возникает.
Как определить, является ли трансформатор повышающим или понижающим?
Сравните напряжения на вторичной и первичной обмотках. Если вторичное напряжение больше, трансформатор повышающий; если меньше — понижающий. В идеальном трансформаторе это также определяется числом витков обмоток.
Почему при увеличении напряжения трансформатором сила тока уменьшается?
Идеальный трансформатор передаёт мощность: напряжение на выходе, умноженное на силу тока, равно входной мощности. Поэтому при повышении напряжения выходная сила тока уменьшается.
Зачем повышают напряжение при передаче электроэнергии на большие расстояния?
При передаче одной и той же мощности повышение напряжения позволяет уменьшить силу тока. Из-за этого провода нагреваются меньше, а потери энергии сокращаются. У потребителей напряжение затем понижают.
§34. Использование электромагнитной индукции
