Что такое трансформатор в физике. Как устроен и работает трансформатор. Какие бывают виды трансформаторов. Где применяются трансформаторы в технике и быту. Как рассчитать параметры трансформатора.
Что такое трансформатор и как он устроен
Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Основными элементами трансформатора являются:
- Магнитопровод (сердечник) — замкнутая магнитная цепь из ферромагнитного материала
- Первичная обмотка — подключается к источнику переменного тока
- Вторичная обмотка — к ней подключается нагрузка
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС.
Виды трансформаторов
По назначению трансформаторы делятся на следующие основные виды:
- Силовые — для передачи и распределения электроэнергии
- Измерительные — для измерения токов и напряжений
- Специальные — для специфических целей (сварочные, пик-трансформаторы и др.)
По числу фаз различают однофазные и трехфазные трансформаторы. По способу охлаждения бывают сухие, масляные и с негорючим жидким диэлектриком. По назначению вторичного напряжения трансформаторы делятся на повышающие, понижающие и разделительные.
Принцип работы трансформатора
Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции Фарадея. Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора:
- При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения в ней возникает переменный ток.
- Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле в сердечнике.
- Переменное магнитное поле, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС.
- Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка, в ней возникает ток.
Соотношение напряжений и токов в обмотках определяется коэффициентом трансформации:
k = U1 / U2 = w1 / w2 = I2 / I1
где U1, U2 — напряжения, w1, w2 — числа витков, I1, I2 — токи в первичной и вторичной обмотках соответственно.
Основные характеристики трансформаторов
Важнейшими параметрами, характеризующими работу трансформатора, являются:
- Номинальная мощность — максимальная мощность длительной работы
- Коэффициент трансформации — отношение напряжений или числа витков обмоток
- КПД — отношение выходной мощности к входной
- Напряжение короткого замыкания — напряжение при замкнутой вторичной обмотке
- Ток холостого хода — ток в первичной обмотке при разомкнутой вторичной
Знание этих характеристик позволяет правильно выбрать и эксплуатировать трансформатор.
Применение трансформаторов
Трансформаторы нашли широкое применение в различных областях техники и быта:
- В системах передачи и распределения электроэнергии
- В блоках питания электронных устройств
- В сварочных аппаратах
- В измерительной технике
- В преобразователях частоты
Трансформаторы позволяют эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния, преобразовывать напряжение для различных потребителей, гальванически развязывать электрические цепи.
Расчет параметров трансформатора
При проектировании и эксплуатации трансформаторов важно уметь рассчитывать их основные параметры. Рассмотрим пример расчета:
Дано: трансформатор с U1 = 220 В, U2 = 12 В, I2 = 5 А.
Требуется определить:
- Коэффициент трансформации k
- Ток в первичной обмотке I1
- Мощность трансформатора P
Решение:
- k = U1 / U2 = 220 / 12 = 18,33
- I1 = I2 / k = 5 / 18,33 = 0,27 А
- P = U2 * I2 = 12 * 5 = 60 Вт
Таким образом, мы определили основные параметры данного трансформатора.
Преимущества и недостатки трансформаторов
Трансформаторы обладают рядом достоинств, обуславливающих их широкое применение:
- Высокий КПД (до 98-99%)
- Простота конструкции
- Надежность в эксплуатации
- Возможность получения различных напряжений
К недостаткам можно отнести:
- Невозможность регулировки напряжения под нагрузкой
- Чувствительность к перегрузкам
- Потери энергии на нагрев обмоток и сердечника
Однако преимущества трансформаторов значительно перевешивают их недостатки, что обеспечивает их повсеместное использование в энергетике и электротехнике.
Заключение
Трансформаторы являются важнейшими элементами современных систем производства, передачи и распределения электроэнергии. Их применение позволяет эффективно преобразовывать напряжение и ток, обеспечивая потребителей электроэнергией требуемых параметров. Знание принципов работы и основных характеристик трансформаторов необходимо для их грамотной эксплуатации и обслуживания.
Конспект урока по физике на тему «Траснформатор»
Тема: Трансформатор. Производство и передача электроэнергии
Цели:
Образовательные: Изучить устройство и принцип действия трансформатора.
Ознакомить со способом производства и передачи электроэнергии.
Развивающие: Способствовать развитию познавательного интереса к предмету на основных достижениях науки и техники; умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы; умения применять знания при решении заданий.
Воспитательные: способствовать формированию научного мировоззрения, ответственного отношения к учению, содействовать воспитанию усидчивости, аккуратности при выполнении заданий.
Количество
часов:
2
Тип
урока: урок изучения нового материала.
Форма проведения: учебная лекция (новый материал излагается с использованием презентации).
Межпредметные связи:
Оборудование: трансформатор (набор для демонстрации), презентация,
Ход урока
I.
Организационный
момент.
II. Актуализация
Фронтальный опрос:
1. Что такое переменный ток? В чем отличие от постоянного? (слайд 1)
2. Что называют амплитудным значением напряжения, силы тока в сети переменного тока? 220 В – какое напряжение?
3. Что называют действующим значением напряжения, силы тока? (слайд 2)
4. Какое напряжение у нас в домах?
5. Можно ли включить лампочку рассчитанную на напряжение 6В в электрическую цепь 220В?
6. Какое напряжение в линии электропередач между городами?
7. Каким образом понижают напряжение для использования его в домах и на производстве?
III. Сообщение темы, цели и задач урока
Задача урока: Выяснить, как электричество попадает в нашу квартиру, если электростанции находятся иногда в сотнях и даже тысячах километров от дома?
План изучения темы:
1. Способы
понижения потерь электроэнергии при передаче.
2. Трансформатор.
3. Режимы работы трансформатора
4. Передача электроэнергии.
IV. Мотивация учебной деятельности.
Уже второй век человечество использует электрический ток в промышленных масштабах. И все эти годы используется в основном переменный ток.
Разные потребители электрического тока рассчитаны на разные напряжения.
Важным свойством переменного электрического тока является то, что напряжение и силу тока можно изменять (трансформировать). Такие превращения важны для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными затратами. Как эффективно решить проблему передачи электроэнергии на большие расстояния мы и рассмотрим на данном уроке (слайд 3).
V. Изучение нового материала
1) Способы понижения потерь электроэнергии при передаче.
На основании формул Q=I2Rt и R=ρl/S предложите способы уменьшения потерь электроэнергии на нагрев проводов при передаче на большие расстояния
(слайд 4).
Вывод: Уменьшить потери электроэнергии возможно только при уменьшении силы тока, а следовательно, чтобы мощность электростанции не изменилась P=IU, необходимо во столько же раз увеличить напряжение (слайд 5).
Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности (при неизменной частоте тока), осуществляется с помощью трансформаторов.
2) Трансформатор.
Уменьшить силу тока на ЛЭП, а значит увеличить напряжение, удалось при помощи трансформатора (слайд 6,7). Трансформатор был изобретён в 1876 г. П.Н.Яблочковым.
Трансформатор (от лат. transformo – преобразую) — это устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.
Трансформатор
состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который
надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками с различным числом
витков N 1 и N2.
Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т.е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле, создаваемое переменным током в первичной обмотке, практически без потерь пронизывает витки вторичной обмотки. А это значит:
3) Трансформатор имеет три режима работы:
— режим холостого хода
— рабочий режим
— режим короткого замыкания.
Режим холостого хода – это режим с разомкнутой
вторичной обмоткой (I
ЭДС первичной обмотки – это U1
ЭДС вторичной обмотки приблизительно равно U2 .
При
подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в сердечнике
появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой
обмотке.
Обычно
активное сопротивление обмоток трансформатора мало, поэтому им можно
пренебречь. При
разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течёт и имеет место
соотношение:
Величину k называют коэффициентом трансформации.
При k > 1- трансформатор понижающий. При k < 1 – повышающий.
Рабочим ходом трансформатора называется режим, когда во вторичную обмотку включена какая – либо нагрузка, т.е. подключены потребители.
На этом режиме мощность в первичной цепи приблизительно равна мощности во вторичной
Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот)
Режим
короткого замыкания –
это режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки.
Данный режим опасен, т.к. сила тока во вторичной обмотке максимальна и
происходит электрическая и тепловая перегрузки системы.
Выводы о назначении трансформатора
1. Наиболее важное применение трансформатора — это передача электрической энергии на большое расстояние.
2. Большое практическое применение трансформатор находит в электросварке.
3. Образование двух противоположных магнитных потоков в сердечнике полностью нагруженного трансформатора положено в основу устройства современного бытового электрического звонка.
4. В радиотехнике для понижения напряжения (силовые трансформаторы).
Опишем трансформатор и запишем таблицу в тетрадь
Назначение | Преобразование (повышение или понижение) напряжения переменного тока |
Устройство |
Состоит из сердечника замкнутой формы,
на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Ко вторичной – подсоединяется нагрузка.
|
Обозначение в электрической схеме | |
Принцип действия | Основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток в первичной катушке создает в стальном сердечнике переменное магнитное поле, которое создает индукционный ток во вторичной катушке.
k — коэффициент трансформации k >1 трансформатор понижающий, k< 1 трансформатор повышающий |
Применение | При передаче электроэнергии, в сварочном аппарате, в радиотехнических устройствах ….. (заполнить самостоятельно) |
Первичная
присоединяется к источнику тока.
4) Передача электроэнергии
Рассмотрим передачу электроэнергии от электростанции к
месту ее потребления.
Налицо преимущества передачи электроэнергии при
высоком напряжении. Этого можно достичь, применяя в линиях электропередачи
(ЛЭП) трансформаторы, которые повышали бы напряжение перед тем, как ток
поступает в ЛЭП, и снижали бы ее на входе к потребителю (слайд 10).
Поэтому ток с электростанции сначала подается на расположенную неподалеку повышающую трансформаторную подстанцию, где напряжение повышается до нескольких сотен киловольт, и под таким напряжением подается в линии электропередач. Поскольку такое высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочередно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 Вольт или 220 Вольт, а затем — на предприятия или в жилые дома.
На электростанциях Крыма генераторы вырабатывают переменный ток напряжением 20кВ и частотой 50Гц. Поэтому повышение напряжения происходит на трансформаторной подстанции с помощью трансформаторов, которые повышают его до 220…500 кВ.
Крупнейшие электростанции России:
ГЭС – Саяно-Шушенская
ГЭС (Хакасия).
Установленная мощность — 6400 МВт.
ТЭЦ – Сургутская ГРЭС-2. Полезная мощность 5597 МВт.
АЭС – Балаковская АЭС (Саратовская область). Общая полезная мощность 3800 МВт (звание «Лучшая АЭС России»).
Симферопольская ТЭС – установленная мощность 470 МВт (слайд 11).
Симферопольская ТЭС — часть глобального проекта, предусматривающего строительство тепловых электростанций для обеспечения энергией Крыма и Севастополя. Работы по строительству Симферопольской ТЭС начались еще зимой 2015-го года. Ее месторасположение — район села Ивановка (слайд 12).
Официальная церемония ввода ТЭС в эксплуатацию на полную мощность состоялась 18 марта 2019 года.
Надо
отметить, что при проектировании были учтены не только пожелания местных
жителей, но и вопросы сохранения экологии региона. Проектировщики постарались
максимально сохранить природные ресурсы, которые могли бы быть утеряны при
неразумном подходе. Так, плодородная земля, которая была снята при закладке
фундамента, вывезена в районы с менее плодородной почвой.
Так что эта земля не
просто «укатана в бетон», а будет приносить урожаи.
VI. Закрепление нового материала
Устно:
1. Трансформаторы предназначены…
А) для получения переменного тока.
Б) для преобразования переменного тока.
В) для превращения постоянного тока в переменный.
Г) для превращения переменного тока в постоянный.
2. Коэффициент трансформации больше 1. Это значит, что такой трансформатор является…
А) повышающим. Б) понижающим.
3. Потери электроэнергии при передаче на большие расстояния связаны, в первую очередь с тем, что …
А) преобразующие электроэнергию трансформаторы обладают низким КПД.
Б) слишком велика мощность передаваемого по проводам тока.
В) значительную часть энергии приходится тратить на работу обслуживающих сеть систем.
Г) электрический ток нагревает
провода линий электропередач.
4. Для сохранения передаваемой мощности, при повышении напряжения в линии передачи электроэнергии требуется ___?_____ силу тока.
А) увеличить.
Б) уменьшить.
В) оставить прежней.
5. Для чего около электростанций устанавливают повышающий напряжение трансформатор?
Решение задач
1. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке? В какой обмотке провод имеет большую площадь поперечного сечения?
2. Чтобы узнать, сколько витков содержится в первичной и вторичной обмотках трансформатора, на вторичную катушку намотали 11 витков провода. При включении первичной обмотки в сеть напряжением 220 В вольтметр показал, что на обмотке с 11 витками напряжение равно 4,4 В, а на вторичной обмотке — 12 В. Сколько витков в первичной и вторичной обмотках?
3. Понижающий
трансформатор включен в сеть с напряжением 1000 В и потребляет от сети
мощность, равную 400 Вт.
Каков КПД трансформатора, если во вторичной обмотке
течет ток 3,8 А, а коэффициент трансформации равен 10? Решение:
Сначала определим напряжение на вторичной обмотке трансформатора:
U2 = = = 100 В
Запишем формулу для КПД трансформатора и рассчитаем:
η = ⋅100 % = ⋅100 % = ⋅100% = 95%
Ответ: 95%
VII. Подведение итогов урока. Рефлексия.
Учитель подводит итог урока, оценивает деятельность учащихся.
Ф.И. | Да | Нет |
Интересно было узнать о трансформаторе | ||
Могу рассказать об устройстве | ||
Могу объяснить физические процессы, протекающие в трансформаторе | ||
Я знаю, где и для чего используется трансформатор | ||
Я знаю характеристики трансформатора и могу их определить |
VIII.
Домашнее задание
1. Прочитать теоретический материал по учебнику §16.11, 16.13
2. Решить з.№11,13 с.331
3. Выполнить творческое задание.
Подготовить сообщение или презентацию по одной из тем:
«ТЭС и экологические проблемы», «АЭС. Нерешенные проблемы», «Биотопливо», «Альтернативные источники энергии».
Литература и интернет ресурсы:
1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Учебник -М.: Издательский центр «Академия», 2020 г.
2. http://interfizika.narod.ru, http://class-fizik. ru
Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. — О’Пять пО физике!
Генератор –
устройство превращающее энергию различного вида в электрическую. Генераторы
вырабатывают электрический ток. Примеры генераторов: гальванические элементы,
электростатические машины, солнечные батареи и др. Например, с помощью электростатических машин можно создать очень высокое напряжение, но при этом сила тока будет очень невелика. А с помощью гальванических элементов можно создать приемлемую силу тока, но они могут работать лишь непродолжительное время. Структура генератораРассмотрим индукционный электромеханический генератор переменного тока. Генераторов такого типа много, но любой из них имеет общие основные детали.
Амплитуда ЭДС
наводится в каждом витке обмотки. Так как витки соединены последовательно
значения ЭДС будут складываться. ЭДС в рамке будет пропорциональна числу витков
в обмотке. Для получения большого значения магнитного потока в генераторах
делают специальную систему из двух сердечников. В пазах одного сердечника размещаются обмотки, которые создают магнитное поле, а в пазах другого, обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников вращается, его называют ротором. Второй неподвижен и называется статором. Зазор между сердечниками стараются сделать как можно меньшим, чтобы увеличить поток вектора магнитной индукции. На рисунке представлена модель простейшего генератора. Принцип действия генератора В генераторе, модель которого представлена на рисунке, магнитное поле создается постоянным магнитом, а проволочная рамка вращается внутри него. В принципе, можно оставить рамку неподвижной и вращать магнит. От этого ничего бы не изменилось. В промышленных
генераторах именно так и делается. Вращается электромагнит, а обмотки, в
которых появляется ЭДС остаются неподвижными. Это связано с тем, что для того,
чтобы подвести ток к ротору или снять с обмоток ротора, необходимо использовать
скользящие контакты. Поэтому удобнее подводить ток к ротору, а снимать ток со статора. В генераторах малой мощности, для создания магнитного поля используют вращающийся постоянный магнит, тогда подводить ток к ротору вообще необязательно. И использовать щетки и кольца не нужно. При вращении
ротора, в обмотках статора возникает ЭДС. Это происходит потому, что возникает
вихревое электрическое поле. Современные генераторы это очень большие машины.
Причем при таких размерах (несколько метров), некоторые важнейшие внутренние
части изготавливаются с точность до миллиметра. Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать. Для
преобразования напряжения используются устройства, называются трансформаторами. Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке. условное обозначение трансформатора: Устройство и работа трансформатора Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин. Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию. На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора. картинка Работа
трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек. Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2 e. Следовательно: e1/e2 = N1/ N2. Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю: |u1|≈|e1|. При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно: |u2|=|e2|. Мгновенные
значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение
можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. E1/E2 ≈U1/U2 ≈N1/ N2 = K К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K<0 – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока. Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула: U1/U2≈ I2/I1. То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока. |
В зависимости от
характеристик применяются генераторы различных типов.
Для этого используются щетки и контактные кольца. Сила
тока, которая заставит вращаться ротор, много меньше, чем та, которую мы снимем
с обмоток.
Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют
также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают
напряжение.
Когда через
первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный
магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в
другой катушке.
А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями
напряжения. Получим:Трансформеры | Физика
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объяснять, как работает трансформатор.
- Расчет напряжения, тока и/или количества витков с учетом других величин.
Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, поскольку трансформаторы имеют внутреннее сопротивление). Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют трансформатор, встроенный в сменный блок (как на рис. 1), который преобразует переменное напряжение 120 или 240 В в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках в системах распределения электроэнергии, например, как показано на рис. 2. Энергия передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для данного количества энергии требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее. Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя используются трансформаторы.
Рис. 1. Подключаемый трансформатор становится все более привычным по мере распространения электронных устройств, работающих от напряжения, отличного от обычного 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В. (кредит: Shop Xtreme)
Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжении более 200 кВ, иногда до 700 кВ, для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии в районы или предприятия проходит через подстанцию и передается на короткие расстояния при напряжении от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для обеспечения безопасности на объекте отдельного пользователя.
Тип трансформатора, рассматриваемого в этом тексте — см. рис. 3, — основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на аппарат Фарадея, используемый для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи.
Две катушки называются первичной и вторичными катушками . При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но и увеличивает его намагниченность. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется на вторичную обмотку, индуцируя ее выходное напряжение переменного тока.
Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и усиливается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке индуцирует ток во вторичной.
Для простого трансформатора, показанного на рис. 3, выходное напряжение В с почти полностью зависит от входного напряжения В р и соотношение количества витков в первичной и вторичной обмотках.
Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение В с равным
[латекс] {V} _ {\ text {s}} = — {N} _ {\ text {s}} \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\\[/latex],
, где N s — количество витков вторичной обмотки, а Δ Φ /Δ t — скорость изменения магнитного потока. Обратите внимание, что выходное напряжение равно ЭДС индукции ( В с = ЭДС с ), при условии, что сопротивление катушки мало (разумное предположение для трансформаторов). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому Δ Φ / Δ t одинаково с обеих сторон. Входное первичное напряжение В p также связано с изменением потока на
[латекс]{V}_{p}=-{N}_{\text{p}}\frac{\Delta\Phi} {\Delta t}\\[/латекс].
Причина этого более тонкая. Закон Ленца говорит нам, что первичная обмотка сопротивляется изменению потока, вызванному входным напряжением V p , отсюда и знак минус (это пример самоиндукции , эта тема будет подробно рассмотрена в следующих разделах).
Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, петлевое правило Кирхгофа говорит нам, что ЭДС индукции точно равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:
[латекс]\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{ {N}_{\text{s}}}{{N}_{\text{p}}}\\[/latex]
Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в его катушках. Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменную мощность, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор понижает напряжение. Предполагая, как и мы, что сопротивление пренебрежимо мало, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной мощности.
На практике это почти так — КПД трансформатора часто превышает 99%. Приравнивая вход и выход питания,
P P = I P V P = I S V S PS 6.
Перестановка терминов дает
[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{I} _ {\ text {p}}} { {I}_{\text{s}}}\\[/латекс].
В сочетании с [латекс]\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{s} }}{{N}_{\text{p}}}\\[/latex], мы находим, что
[латекс]\frac{{I}_{\text{s}}}{{I}_ {\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\[/latex]
— отношение между выходной и входной токи трансформатора. Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.
Пример 1. Расчет характеристик повышающего трансформатора
Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки.
Первичная обмотка имеет 50 витков и при использовании потребляет ток 10,00 А. а) Сколько петель во вторичном? (b) Найдите текущий выход вторичной обмотки.
Решаем [латекс]\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{ {N}_{\text{s}}}{{N}_{\text{p}}}\\[/latex] для [латекса]{N}_{\text{s}}\\[/ латекс] на 9{4}\end{массив}\\[/латекс].
Обсуждение для (a)Большое количество петель во вторичной обмотке (по сравнению с первичной) требуется для получения такого большого напряжения. Это верно для трансформаторов неоновых вывесок и тех, которые обеспечивают высокое напряжение внутри телевизоров и ЭЛТ.
Стратегия и решение для (b) Аналогично можно найти выходной ток вторичной обмотки, решив [латекс]\frac{{I}_{\text{s}}}{{I}_{\ text{p}}}=\frac{{N}_{\text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\[/latex] для [латекса]{I}_{ \text{s}}\\[/latex] для 9{4}}=12,0\text{ мА}\end{массив}\\[/latex].
Как и ожидалось, ток на выходе значительно меньше, чем на входе. В некоторых впечатляющих демонстрациях для создания длинных дуг используются очень большие напряжения, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь равна P p = I p В p = (10,00 А)(120 В) = 1,20 кВт. Это соответствует выходной мощности P p = I с В с = (12,0 мА)(100 кВ) = 1,20 кВт, как мы предполагали при выводе используемых уравнений.
Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, ясно показывает, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если первичное напряжение не меняется, то и вторичное напряжение не индуцируется. Одна из возможностей состоит в том, чтобы подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель.
Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка создает напряжение, подобное показанному на рис. 4. На самом деле это непрактичная альтернатива, и переменный ток широко используется везде, где необходимо повысить или понизить напряжение.
Рис. 4. Трансформаторы не работают при чистом входном напряжении постоянного тока, но если его включать и выключать, как на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как на нижнем графике. Это не синусоидальный переменный ток, необходимый большинству приборов переменного тока.
Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора
Зарядное устройство, предназначенное для последовательного соединения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12,5 В постоянного тока), должно иметь выходное напряжение 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с 200-контурной первичной обмоткой и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной обмотке? (б) Если зарядный ток равен 16,0 А, каков входной ток?
Стратегия и решение для (a) Можно ожидать, что вторичный узел будет иметь небольшое количество циклов.
Решение [латекс]\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{s}}}{{ N}_{\text{p}}}\\[/latex] для [латекса]{N}_{\text{s}}\\[/latex] для N s и ввод известных значений дает
[латекс] \ begin {array} {lll} {N} _ {\ text {s}} & =& {N} _ {\ text {p}} \ frac {{V} _ {\ text {s }}}{{V}_{\text{p}}}\\ & =& \left(\text{200}\right)\frac{15.0 \text{V}}{120 \text{V}} =25\конец{массив}\\[/латекс]
Стратегия и решение для (b)Текущие входные данные могут быть получены путем решения [latex]\frac{{I}_{\text{s}}}{{I}_{\text{p} }}=\frac{{N}_{\text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\[/latex] для I p и ввод известных значений. Это дает
[латекс]\begin{array}{lll}{I}_{\text{p}}& =& {I}_{\text{s}}\frac{{N}_{\text {s}}}{{N}_{\text{p}}}\\ & =& \left(16.0\text{A}\right)\frac{25}{200}=2.00\text{A} \end{массив}\\[/латекс]
Обсуждение Количество витков во вторичной обмотке мало, как и положено для понижающего трансформатора.
Мы также видим, что небольшой входной ток создает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для работы с большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых петель во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи. Еще раз отметим, что это решение основано на предположении о 100%-ной эффективности, т. е. выходная мощность равна входной мощности ( P p = P s ) — подходит для хороших трансформаторов. В этом случае первичная и вторичная мощность составляет 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки стабильности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые аккумуляторы необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный. Это делается с помощью чего-то, называемого выпрямителем, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают ток только в одном направлении.
Трансформаторы имеют множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в книге «Электробезопасность: системы и устройства».
PhET Исследования: ГенераторВырабатывайте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.
Нажмите, чтобы загрузить симуляцию. Запуск с использованием Java.
Резюме раздела
- Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
- Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением
[латекс] \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s}}} {{ N}_{\text{p}}}\\[/латекс],
где В p и В с напряжения между первичной и вторичной обмотками, имеющими N p и N s виток.
- Токи I p и I с в первичной и вторичной обмотках связаны соотношением [латекс]\frac{{I}_{\text{s}}}{{I}_{\text{p}}}=\frac{{N} _{\text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\[/латекс].
- Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, а понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.
Концептуальные вопросы
1. Объясните, что вызывает физические вибрации в трансформаторах, частота которых в два раза превышает частоту переменного тока.
Задачи и упражнения
1. Подключаемый трансформатор, подобный показанному на рис. 4, подает напряжение 9,00 В на игровую систему. а) Сколько витков во вторичной обмотке, если входное напряжение 120 В, а в первичной обмотке 400 витков? (б) Каков его входной ток, когда его выходной ток равен 1,30 А?
2. Путешественница из США в Новой Зеландии носит с собой трансформатор для преобразования стандартного новозеландского напряжения 240 В в 120 В, чтобы в поездке она могла пользоваться небольшими бытовыми приборами.
а) Каково соотношение витков в первичной и вторичной обмотках ее трансформатора? б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландка, путешествующая по Соединенным Штатам, могла использовать этот же трансформатор для питания своих приборов на 240 В от 120 В?
3. В кассетном магнитофоне используется съемный трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. а) Каков текущий вход? б) Какова потребляемая мощность? (c) Разумно ли такое количество энергии для небольшого электроприбора?
4. (a) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей для фонарика, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток необходим для получения выходного тока 4,00 А? в) Какова потребляемая мощность?
5. (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим, что эффективность 100%.
(b) Если фактический КПД меньше 100%, должен ли входной ток быть больше или меньше? Объяснять.
6. Многоцелевой трансформатор имеет вторичную обмотку с несколькими точками, в которых может сниматься напряжение, что дает выходное напряжение 5,60, 12,0 и 480 В. (a) Входное напряжение составляет 240 В для первичной обмотки из 280 витков. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходных напряжений? (b) Если максимальный входной ток равен 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?
7. Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ. Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение в 335 кВ. Вторичная часть этого трансформатора заменяется, чтобы его мощность могла составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности по модернизированным линиям электропередачи. а) Каково соотношение витков в новой вторичной обмотке по сравнению со старой вторичной обмоткой? (б) Каково отношение новой мощности по току к старой мощности (на 335 кВ) для той же мощности? (c) Если модернизированные линии электропередачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новой линии к потерям мощности в старой?
8.
Если выходная мощность в предыдущей задаче 1000 МВт, а сопротивление линии 2,00 Ом, каковы были потери в старой и новой линии?
9. Необоснованные результаты Электричество переменного тока напряжением 335 кВ от линии электропередачи подается на первичную обмотку трансформатора. Отношение числа витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной равно N с / N p = 1000. а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?
10. Создайте свою собственную задачу Рассмотрим двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух ступеней. Первый — это трансформатор, который выдает гораздо большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение.
Постройте задачу, в которой вы рассчитываете выходное напряжение конечного каскада на основе входного напряжения первого каскада и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки). Также рассчитайте максимальный выходной ток конечной ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.
Глоссарий
- преобразователь:
- устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции
- уравнение трансформатора:
- уравнение, показывающее, что отношение вторичных и первичных напряжений в трансформаторе равно отношению числа витков в их обмотках;[latex]\frac{{V}_{\text{s}}}{{V} _{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{s}}}{{N}_{\text{p}}}\\[/latex]
- Повышающий трансформатор:
- трансформатор повышающий напряжение
- понижающий трансформатор:
- трансформатор, понижающий напряжение
Избранные решения задач и упражнений
1.
(a) 30,0 (b) 9,75 × 10 −2 A
3. (a) 20,0 мА (b) 2,40 Вт (c) Да, такая мощность вполне разумно для небольшого прибора.
5. (a) 0,063 А (b) Требуется больший входной ток.
7. (а) 2,2 (б) 0,45 (в) 0,20 или 20,0%
9. (a) 335 МВ (b) слишком высокое, намного превышающее напряжение пробоя воздуха на разумных расстояниях (c) входное напряжение слишком высокое
Трансформатор
ТрансформаторТрансформатор использует закон Фарадея и ферромагнитные свойства железного сердечника для эффективного повышения или понижения напряжения переменного тока. Это конечно, нельзя увеличивать мощность так, чтобы при повышении напряжения ток пропорционально снижался и наоборот.
| Индекс Концепции трансформаторов Концепции магнитного поля | |||||
| Вернуться |
| Index Магнитная сила Концепции трансформатора Концепции закона Фарадея | |||
| Вернуться |
