Как устроен трансформатор?

Как можно преобразовать напряжение?

Мы уже выяснили (ч. 1, § 15), что при передаче электроэнергии на большие расстояния потери энергии тем меньше, чем выше напряжение.

В то же время использовать электроэнергию, например, для питания бытовых приборов под высоким напряжением, прямо скажем, небезопасно! Поэтому все бытовые приборы рассчитаны на напряжение 220 В, а высоковольтные линии электропередач находятся под напряжением в десятки и даже сотни тысяч вольт. В связи с этим возникает проблема: как повышать или понижать напряжение в зависимости от ситуации?

Техническое устройство, позволяющее повышать или понижать напряжение, называется трансформатором.

Сразу отметим, что достаточно легко поддается преобразованию (т.е. повышению или понижению) практически без потерь энергии переменное напряжение. Преобразовывать постоянное напряжение очень трудно. Именно по этой причине и в промышленности, и в быту используется главным образом переменный ток.

Как устроен трансформатор?

Количество витков в первичной и вторичной обмотках разное. Например, на рис. 17.1 число витков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной. Поэтому напряжение U₂ на вторичной обмотке отличается от напряжения U₁ в первичной обмотке, причем справедливо соотношение

, (17.1)

где N₁ – число витков в первичной обмотке, а N₂ – число витков в вторичной обмотке. Величина называется коэффициентом трансформации. Если K > 1, то трансформатор называется понижающим, если K < 1, то повышающим.

На рис. 17.2 показан внешний вид небольшого трансформатора для небольших мощностей.

Рис. 17.2

Читатель: Получается, что первичная обмотка – это одна электрическая цепь, а вторичная обмотка – другая электрическая цепь. И эти две цепи электрически изолированы друг от друга.

Автор: Именно! И если бы в первичной обмотке шел постоянный ток, то во вторичной обмотке никакого тока вообще не было бы. Но мы имеем дело с переменным током, и тут ситуация совершенно другая.

Когда трансформатор подключают к источнику переменного тока (например, к городской сети), то проходящий по первичной обмотке переменный ток создает переменное магнитное поле (одна из линий которого показана на рис. 17.1 пунктиром). Так как обмотки надеты на общий железный сердечник, то почти все линии этого поля проходят через обе обмотки. Иначе можно сказать, что обе обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком.

При изменении этого потока в каждом витке обмоток, как первичной, так и вторичной, индуцируется одна и та же ЭДС ℮. Полная же ЭДС индукции ℰ, возникающая в каждой обмотке, равна сумме ЭДС ℮, возникающих в каждом витке обмоток. Ведь по сути дела мы имеем дело с последовательно соединенными одинаковыми источниками ЭДС.

Если первичная обмотка имеет N₁ витков, а вторичная N₂ витков, то индуцированные в них ЭДС равны соответственно ℰ₁ = ℮N₁ и ℰ₂ = ℮N₂, т.е.

ℰ₁/ℰ₂ = N₁/N₂. (17.2)

Читатель: Меня вот что смущает: ведь первичная обмотка – это просто проволока, намотанная на катушку. Когда мы включаем в сеть первичную обмотку, мы фактически включаем в сеть только проволоку с очень малым активным сопротивлением. Почему же не происходит короткое замыкание?

Автор: Если бы мы включили первичную обмотку в сеть с постоянным напряжением, то все обстояло бы именно так, как Вы говорите: через проволоку с малым сопротивлением R пошел бы очень большой ток I = U/R и, скорее всего, проволока бы расплавилась, а изоляция на ней загорелась. Но! Мы имеем дело с переменным током. И в данном случае включаем в сеть уже рассмотренную нами в § 16 RL-цепь с малым активным сопротивлением R и большим индуктивным сопротивлением Х_L = wL, где w – циклическая частота напряжения, а L – индуктивность катушки. Действующее значение силы тока в такой цепи, как нам уже известно из § 16, равно

.

Читатель: Соотношение между ЭДС индукции ℰ₁ и ℰ₂ (17.2) в первичной и вторичной обмотках понятно. Но как получить связь между напряжениями U₁ и U₂ в них (17.1)?

Автор: Рассмотрим сначала случай, когда цепь вторичной обмотки разомкнута. Такое состояние трансформатора называется режимом холостого хода. Тогда очевидно, что во второй обмотке U₂ = ℰ₂.

Рис. 17.3

Цепь первичной обмотки при условии X_L >> R представляет собой практически индуктивное сопротивление, на которое подано переменное напряжение (рис. 17.3). В такой цепи ЭДС самоиндукции по величине в равна напряжению U₁ = ℰ₁ (см. § 16). Значит:

U₁/U₂ = ℰ₁/ℰ₂ = N₁/N₂. (17.3)

Читатель: А если учесть активное сопротивление катушки?

Рис. 17.4

Автор: Тогда цепь первичной обмотки можно представить в виде схемы, показанной на рис. 17.4: в любой произвольный момент времени (согласно закону Ленца) ЭДС индукции «направлена навстречу» внешнему напряжению. И в любой момент времени можно записать закон Ома: IR = U₁ – ℰ₁. Поскольку R мало, то U₁ » ℰ₁.

Читатель: А если вторичная обмотка подключена к нагрузке R?

Автор: В этом случае вторичную обмотку можно представить в произвольный момент времени t по схеме на рис. 17.5, где ℰ₂ – ЭДС индукции, а r – внутреннее сопротивление источника ЭДС (т.е. активное сопротивление катушки). В этом случае U₂ = ℰ₂ – I₂r. Если r ® 0, то U₂ » ℰ₂, и равенство (17.3) можно считать приближенно верным.

Рис. 17.5

СТОП! Решите самостоятельно: А1, А2, В1, В2, С1, С2.

Как определить число обмоток трансформатора,