Трансформатор

Трансформатор[3] - это устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Он, как видно на рис.10.4, состоит из двух катушек (обмоток): первичной и вторичной. Концы первичной обмотки подключены к сети питающего тока, а концы вторичной – к потребителям электрической энергии. Обмотки наматываются на металлический сердечник, либо на разные его стороны, как на рис.10.6, либо одна обмотка на другую, располагаясь на общем сердечнике. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку, в ней возникает переменный магнитный поток. Поток по металлическому сердечнику передается ко второй катушке, и возбуждает во вторичной обмотке переменное напряжение той же частоты. Но напряжение на обмотках будет различным в зависимости от числа витков на каждой из них.

Для определения соотношения токов и напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Из закона Фарадея следует:

и .

Откуда, учитывая, что поток магнитной индукции во всем металлическом сердечнике примерно одинаков . Его изменение в обоих обмотках трансформатора одинаково:

.

Откуда следует:

, (10.3.1)

Рис. 10.6. Схема трансформатора.

где N₁ и N₂ соответственно число витков в первичной и вторичной обмотках. Формула (10.3.1) представляет собой уравнение трансформатора. Если N₂>N₁, то трансформатор называется повышающим, если N₂<N₁, трансформатор – понижающий.

Электрическая мощность, передаваемая с первичной обмотки на вторичную примерно одинакова:

, (10.3.2)

или

(10.3.3)

Важно отметить, что трансформаторы работают только на переменном токе!

Потери энергии в трансформаторе происходят в результате его нагрева под действием вихревых токов. По фамилии французского физика, исследовавшего их, эти вихревые токи получили название токов Фуко. Для уменьшения их величины сердечник трансформатора набран из большого количества тонких пластин, изолированных друг от друга. Это обусловлено тем, что в сердечнике возникают вихревые токи поперек пластин трансформатора, которые разогревают сердечник и приводят к бесполезным потерям электрической энергии при ее передаче от первичной обмотки трансформатора к вторичной.

Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и других устройств состоят из отдельных пластин, изолированных друг от друга, а поверхности пластин перпендикулярны направлению вектора напряжённости вихревого электрического поля. Сопротивление электрическому току в этом случае будет максимальным, а выделение тепла минимальным. Однако полностью избавиться от нагрева трансформатора и потери части электрической мощности не удается. Поэтому трансформаторы, как правило, охлаждают жидкостью, воздухом или маслом.

Трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия (до 90%), не содержат никаких движущихся частей, являясь, таким образом, удобными техническими устройствами. Трансформаторы играют огромную роль в современной электротехнике. По электрическим сетям, идущим от электростанции, передается напряжение порядка тысяч и десятков тысяч вольт, напряжение же в сети составляет 220 вольт. Передача высокого напряжения позволяет уменьшить потери электроэнергии на нагревание проводов. Чем выше напряжение U, тем меньше будет ток I при одной и той же мощности P = UI. По закону Джоуля – Ленца выделяющееся в проводах тепло пропорционально квадрату протекающего по проводнику тока: Q ~ I². Для уменьшения напряжения на подстанциях служат понижающие трансформаторы.

Токи Фуко используются для нагревания проводников, например, в индукционных печах. Особенно широкое применение печи получили для плавки металлов в вакууме. Они успешно применяются на обычной кухне для приготовления пищи.

В промышленности практически все электрические приборы, имеют среди составляющих его элементов трансформатор. Для того, чтобы, например, подзарядить свой мобильный телефон, подключить к сети компьютер вы также пользуетесь устройством, содержащим понижающий трансформатор.

10.4. Индуктивность. Явление самоиндукции.

По определению магнитный поток Ф_B пропорционален магнитной индукцииВ Ф_B ~ B . Магнитная индукция, возникающая вокруг прямолинейного проводника или кругового витка с током согласно (9.7.1) пропорциональна силе тока в проводнике . Откуда следует, что магнитный поток также пропорционален силе тока I, то есть Ф_B ~ I.

Последнее выражение можно записать так:

Ф_B = L×I, (10.4.1)

где L - коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком, пронизывающим этот контур. Величину L называют индуктивностью контура, или его коэффициентом самоиндукции.

Закон электромагнитной индукции, используя выражение для магнитного потока Ф_В = L×I, можно представить в виде:

. (10.4.2)

Оказывается, что если форма контура остаётся неизменной, но меняется сила тока в катушке, создающей магнитное поле, то в этом контуре также возникнет разность потенциалов. Следовательно, в замкнутом контуре потечет ток, несмотря на то, что он не перемещается в магнитном поле, а в нем меняется величина тока.

Из формулы (10.4.2) следует, что индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 секунду:

Дата добавления: 2014-01-07