"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока. Он состоит из двух обмоток и магнитопровода: переменный ток в первичной обмотке создаёт изменяющееся магнитное поле, а во вторичной возникает индукционное напряжение. Главное правило: напряжения относятся примерно как числа витков. При повышении напряжения сила тока уменьшается, поэтому мощность почти сохраняется.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Трансформатор — устройство, изменяющее напряжение переменного тока благодаря электромагнитной индукции. Он позволяет передавать электроэнергию с нужным напряжением и не требует непосредственного электрического соединения двух цепей.
Первичная обмотка — обмотка, подключённая к источнику переменного напряжения. Её число витков обозначают N₁; именно в ней ток сначала создаёт изменяющееся магнитное поле.
Вторичная обмотка — обмотка, в которой возникает переменное напряжение и к которой подключают потребитель. Число её витков обозначают N₂, а величина N₂ по сравнению с N₁ определяет, повысится или понизится напряжение.
Коэффициент трансформации — отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной: k = U₁/U₂. Для идеального трансформатора k = N₁/N₂, поэтому по числу витков можно заранее определить изменение напряжения.
Переменный ток в первичной обмотке всё время меняет направление и величину. Поэтому создаваемое им магнитное поле также изменяется. Магнитопровод замыкает магнитный поток и направляет его через обе обмотки, чтобы связь между ними была сильнее.
Изменяющийся магнитный поток проходит через витки вторичной обмотки и вызывает в них ЭДС индукции. Если к вторичной обмотке подключить потребитель, по цепи пойдёт переменный ток. При постоянном токе после включения магнитный поток перестаёт изменяться, поэтому в установившемся режиме индукционное напряжение не возникает.
Напряжение зависит от числа витков потому, что изменение магнитного потока действует на каждый виток примерно одинаково. В обмотке с большим числом витков складывается больше одинаковых ЭДС. Поэтому напряжение всей обмотки примерно пропорционально числу её витков.
Отсюда для идеального трансформатора получают соотношение U₁/U₂ ≈ N₁/N₂. Если N₂ > N₁, вторичная обмотка имеет больше витков и напряжение повышается. Если N₂ < N₁, витков во вторичной обмотке меньше и трансформатор понижает напряжение.
Передача энергии подчиняется закону сохранения: для идеального трансформатора U₁I₁ ≈ U₂I₂. Значит, увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, а уменьшение напряжения — её увеличением. В реальном приборе мощность немного теряется из-за нагрева обмоток, сопротивления проводов и других потерь в магнитопроводе.
| Характеристика | Первичная обмотка | Вторичная обмотка | Результат при N₂ > N₁ / N₂ < N₁ |
|---|---|---|---|
| Подключение и назначение | Соединена с источником переменного напряжения | Соединена с потребителем | Вторичная цепь получает повышенное / пониженное напряжение |
| Число витков | N₁ | N₂ | N₂ больше / меньше N₁ |
| Напряжение | U₁ | U₂ | U₂ больше U₁ / U₂ меньше U₁ |
| Сила тока в идеальном трансформаторе | I₁ | I₂ | I₂ меньше I₁ / I₂ больше I₁ |
| Изменение напряжения | Задаёт режим работы | Получает изменённое напряжение | Повышающий / понижающий режим |
Сначала определите, к какой обмотке подключён источник: это первичная обмотка. Затем сравните N₁ и N₂ и примените отношение напряжений к числу витков. Для силы тока используйте сохранение мощности: большему напряжению соответствует меньший ток.
Задача 1. Первичная обмотка содержит 600 витков, вторичная — 120, а U₁ = 220 В. Нужно найти U₂. Число витков вторичной обмотки меньше, значит, трансформатор должен понизить напряжение.
Ответ: напряжение на вторичной обмотке равно 44 В.
Задача 2. Трансформатор понижает напряжение с 220 В до 11 В, в первичной обмотке 1000 витков. Требуется найти N₂. Сначала используем отношение напряжений, а затем выразим неизвестное число витков.
Ответ: во вторичной обмотке 50 витков; она действительно содержит меньше витков, чем первичная.
Задача 3. Идеальный трансформатор понижает напряжение с 220 до 22 В, а вторичный ток равен 2 А. Найдём первичный ток. Понижение напряжения в десять раз должно сопровождаться увеличением тока во вторичной цепи в десять раз.
Ответ: I₁ = 0,2 А. Он меньше вторичного тока, потому что напряжение в первичной цепи в десять раз больше.
Путают первичную и вторичную обмотки, считая первичной ту, где возникает напряжение. Ошибка появляется из-за названий, но проверить себя просто: первичная подключена к источнику, вторичная — к потребителю.
Переворачивают отношение витков и напряжений. Запомните: U₁/U₂ ≈ N₁/N₂, поскольку напряжение пропорционально числу витков; после вычисления проверьте, совпадает ли направление изменения.
Считают, что трансформатор изменяет постоянное напряжение. Для индукции нужен изменяющийся магнитный поток, поэтому постоянный ток в установившемся режиме не подходит.
Ожидают, что при повышении напряжения возрастёт и сила тока. В идеальном случае мощность сохраняется, поэтому используйте U₁I₁ ≈ U₂I₂: большему напряжению соответствует меньший ток.
Для понимания трансформатора нужны знания о переменном токе, магнитном поле тока и электромагнитной индукции. Эти темы объясняют, почему ток создаёт магнитный поток, а его изменение вызывает напряжение.
Трансформаторы работают в источниках питания и электросетях. При передаче энергии на большие расстояния напряжение повышают, чтобы уменьшить ток и потери на нагрев проводов, а перед потребителем снова понижают.
Почему трансформатор работает только с переменным током?
Переменный ток создаёт изменяющийся магнитный поток, а именно его изменение вызывает ЭДС индукции во вторичной обмотке. При постоянном токе после включения поток становится постоянным, поэтому в установившемся режиме напряжение во вторичной обмотке не возникает.
Зачем сердечник трансформатора делают из железа?
Железный магнитопровод хорошо проводит магнитный поток и замыкает его через обе обмотки. Благодаря этому большая часть энергии магнитного поля передаётся от первичной обмотки ко вторичной.
Как определить, повышает трансформатор напряжение или понижает?
Сравните числа витков обмоток. Если N₂ > N₁, вторичное напряжение больше первичного и трансформатор повышающий; если N₂ < N₁, он понижающий.
Почему при повышении напряжения сила тока уменьшается?
В идеальном трансформаторе мощность почти сохраняется: U₁I₁ ≈ U₂I₂. Поэтому при увеличении напряжения ток должен уменьшиться, чтобы произведение напряжения на силу тока осталось почти прежним.
Можно ли подключить трансформатор к источнику постоянного тока?
Обычный трансформатор нельзя использовать с постоянным током в установившемся режиме. Постоянный ток не создаёт изменяющегося магнитного потока, а при подключении может вызвать сильный нагрев первичной обмотки.
4. Трансформаторы
