Трансформаторы

Если провод свить в катушку и пропустить через него ток, то вокруг катушки возникнет магнитное поле (Рис. 1). Если катушка намотана на стальной сердечник, то при пропускании тока он будет намагничен (Рис. 2). Таким образом, подобное устройство представляет собой электромагнит.

Рис. 1

 

Рис. 2

Если ток – постоянный, то и магнитное поле будет постоянно по величине и по направлению. Если через обмотку электромагнита пропускать переменный ток, то и магнитное поле будет переменным. Если в это переменное магнитное поле поместить другую катушку, то в ней возникнет переменное напряжение (Рис. 3).

Рис. 3

Величина (амплитуда) переменного напряжения, возникшего во второй катушке, зависит от числа витков первой и второй катушек, а также от напряжения, к которому подключена первая катушка.

Если число витков в обоих обмотках (катушках) одинаковое, то во второй катушке появится такое же напряжение, что и в первой. Если во вторичной обмотке витков в 2 раза больше, чем в первичной, то во второй катушке возникнет напряжение, величина которого в два раза больше, напряжения, к которому подключена первичная обмотка.

Пример 1. Первичная обмотка имеет 1000 витков, вторичная – 10000 витков. Первая катушка подключена к сети переменного тока 220 вольт. Так как во вторичной обмотке в 10 раз больше витков, то и напряжение на ней будет в 10 раз больше т.е. 2200 вольт.

Пример 2. Первичная обмотка имеет 1000 витков, вторичная – 50 витков. Первая катушка подключена к сети переменного тока 220 вольт. Следовательно, напряжение на вторичной катушке составляет 11 вольт.

Рассмотренное нами устройство называется трансформатором. Он может быть как повышающим, так и понижающим – в зависимости от соотношения числа витков в первичной и вторичной обмотке. Вторичных обмоток может быть несколько, поэтому на одном трансформаторе можно получить сразу несколько напряжений.

Можно сделать не несколько вторичных обмоток, а одну, но с промежуточными отводами.

Например, пусть первичная обмотка подключена к сети 220 Вольт и содержит 1000 витков, а вторичная – 100 с отводами от 20-го и 40-го витка. Т.о. мы получаем сразу несколько напряжений: 4,4; 8,8 и 22 Вольта (Рис. 4).

Рис. 4

Если в качестве сердечника использовать стальной стержень, то в нём будут возникать вихревые токи, которые будут увеличивать потери в трансформаторе и разогревать сердечник до высоких температур.

Чтобы этого избежать, сердечник делают не из одного стального стержня, а из множества пластин, покрытых изолятором, чтобы между пластинами не возникало электрического контакта. В этом случае вихревые токи, возникающие в пластинах, оказываются намного слабее, чем в стальном стержне (Рис. 5).

Рис. 5

В трансформаторах, работающих на низких частотах, в сердечниках применяют различные формы пластин. Некоторые из них изображены на рисунке 6.

Рис. 6

На высоких частотах потери возрастают, поэтому дробления сердечника на пластины недостаточно. В трансформаторах, работающих на высоких частотах, применяют ферритовые стержни.

Ферритовый стержень состоит из мелких железных частиц, спрессованных с изолятором.

Рис. 7

На очень высоких частотах сердечник не применяют вообще, так как не удаётся создать сердечник, который не будет вызывать потери энергии в трансформаторе.

В усилителях и генераторах сверхвысоких частот обмотки трансформаторов могут содержать всего несколько витков или даже менее одного витка (Рис. 8).

Рис. 8

Важной особенностью низкочастотных трансформаторов является то, то мощность, потребляемая первичной обмоткой, равна той мощности, которую вторичная обмотка может передать на нагрузку. Другими словами, мощности на входе и выходе трансформатора равны.

Как уже разбиралось ранее, мощность равна произведению тока и напряжения: P=IU.

Пример 3. Пусть первичная обмотка подключена к сети 220 Вольт, и через неё проходит ток 1 Ампер. Следовательно, мощность, потребляемая трансформатором P=IU=1*220=220 Ватт. Пускай трансформатор понижает напряжение в 10 раз (до 22 Вольт). Так как выходная мощность равна входной, ток должен возрасти в 10 раз, т.е. через вторичную обмотку может протекать ток 10 Ампер. 10 Ампер умножить на 22 Вольта, получается 220 Ватт.

Пример 4. Пусть этот трансформатор повышает напряжение в 10 раз (до 2200 Вольт). Следовательно ток во вторичной обмотке уменьшится в 10 раз до 0,1 Ампера. (2200*0,1=220 Ватт).

Рассмотрим особенности передачи электроэнергии на большие расстояния.

Пусть нам нужно передать 22 кВт электроэнергии при напряжении 220 Вольт на расстояние 1 км к потребителю. К нему будут протянуты провода. Пускай сопротивление этих проводов будет 1 Ом. Мощность 22000 Ватт (22 кВт), напряжение 220 Вольт, следовательно по проводам потечёт ток 100 Ампер.

По закону Ома падение напряжения на проводах составит U=I*R=100*1=100 Вольт! Значит, к потребителю придёт не 220 Вольт 100 Ампер, а 120 Вольт 100 Ампер т.е. 12 кВт. Таким образом, при передаче электроэнергии было потеряно почти половина мощности!

Применяя трансформаторы, можно избежать потерь электроэнергии. Пускай нам так же необходимо передать 22 кВт мощности при напряжении 220 Вольт потребителю на расстояние 1 км. Но перед тем как пустить ток по проводам, при помощи трансформатора увеличим напряжение в 1000 раз т.е. до 220000 Вольт. Следовательно ток упадёт в 1000 раз и составит 0,1 Ампера.

Поэтому падение напряжение на проводах, имеющих сопротивление 1 Ом, составит всего 0,1 Вольта – ничтожная доля по сравнению с 220000 Вольт.

Далее, непосредственно перед потребителем при помощи понижающего трансформатора понижаем напряжение в 1000 раз и вновь получаем 220 Вольт, 100 Ампер т.е. 22 кВт электроэнергии.

При работе большинства электроприборов или их частей необходимо напряжение не превышающее нескольких десятков Вольт, однако, питаются эти приборы от сети переменного тока 220 Вольт. Поэтому в этих приборах применяются понижающие трансформаторы.

Трансформаторы ставятся в телевизоры, приёмники, компьютеры, лабораторные блоки питания и во многие другие устройства.

Очень часто трансформаторы помещают прямо в вилку, подключаемую к розетке. Такое устройство называется адаптером.