Site Loader

Содержание

Конспект урока по физике 9 класс на тему : «Трансформаторы»

План-конспект урока по физике.

Тема: Трансформаторы

Цели урока:

Образовательные: рассмотреть устройство и принцип действия трансформаторов; привести доказательства, что электрический ток никогда не имел бы такого широкого применения, если бы в свое время не был изобретен трансформатор.

Развивающие:  развитие логического мышления, умения обосновывать свои высказывания, развитие творческого мышления, умения переносить полученные знания в новую ситуацию.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения через познаваемость физических явлений, формирование навыков самостоятельной работы, уважительного отношения к мнению оппонента,

пробудить желание заниматься психической саморегуляцией с целью улучшить свои учебные достижения.

Тип урока: урок изучения нового материала

Ведущие методы: объяснительно-иллюстративный и частично-поисковый, суггестивный.

Оборудование:, компьютер; проектор; экран, листы для самоконтроля(каждому ученику)и задания для работы в группах, модель трансформатора.

Девиз урока: «Я верю в себя!», «Я запоминаю учебный материал!», «Я чувствую себя бодрым и свежим!»

Эпиграф: Атрибутом личности есть активность,

а основной функцией есть деятельность.

К. Платонов

Ход урока

Проверка домашнего задания – индивидуальный опрос.

1. Каковы преимущества электрической энергии перед другими видами энергий?

На каких устройствах вырабатывают электрическую энергию?

2. Каков принцип действия генератора переменного тока? Назвать основные узлы генератора.

3. Выступления учащихся, подготовивших рефераты по предложенным темам.

Изучение нового материала

Сегодня у нас необычный урок , а заседание научного общества 11 класса.

Ребята приготовили небольшие выступления по теме заседания: «Трансформаторы»

Историческая справка

В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которая лежит в основе работы трансформатора.

В 1848 году Г. Румкорф (франц.) изобрел индукционную катушку – прообраз трансформатора.

В 1876 году П.Н. Яблочков сконструировал трансформатор с разомкнутым сердечником.

В 1880 году Д. Свинберн предложил масляное охлаждение трансформатора, что повысило срок службы и надежность в работе обмоток.

В 1884 году Джон и Эдуард Гопкинсы (англ.) создали трансформатор с замкнутым сердечником.

В 1889 году М. О. Доливо – Добровольский изобрел трехфазный трансформатор.

2. Для чего нужен трансформатор?

Генераторное напряжение велико. Потребителям нужно не высокое напряжение.

Трансформатор осуществляет преобразование переменного тока, при этом его напряжение может уменьшаться или увеличиваться в несколько раз почти без потери мощности.

  1. Как устроен трансформатор? 

Замкнутый сердечник изготовлен из пластин электротехнической стали толщиной 0,3 -0,5 мм.

На сердечнике размещены две или несколько катушек. Катушка, которая подсоединяется к источнику переменного напряжения – первичная. Все другие катушки, к которым подключаются потребители энергии, называются вторичными.

Схематическое обозначение трансформаторов

4. Трансформатор на холостом ходу.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы трансформатора. Когда по первичной обмотке идет переменный ток, то в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который наводит ЭДС индукции в обмотках. Магнитный поток, находится внутри сердечника и одинаков в любом сечении.

Трансформатор (от лат. transformo – преобразую) в технике, устройство для преобразования к.-л. существенных свойств энергии или объектов. Наиболее

распространены трансформаторы электрические и гидротрансформаторы представляющие собой устройства для изменения физических величин, характеризующих соответственно электрическую и механическую энергию (напр., для изменения напряжения, тока, крутящего момента).

  • Преобразует переменный ток: изменяются напряжение и сила тока, не изменяются мощность и частота.

  • Изобретен в 1878 году П. Н. Яблочковым. В 1882 году И. Ф. Усагин усовершенствовал.

  • Первые высокочастотные трансформаторы созданы Н. Тесла в 1891 году. Этот прибор давал возможность получать токи высокой частоты при напряжениях до 106 В. Такие токи позволили создавать разряд длинной в несколько метров.

Устройство трансформатора

1. Замкнутый сердечник (магнитопровод): набор пластин из трансформаторной стали.

2. Две обмотки: первичная (к генератору) и вторичная (к нагрузке)

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции.

Применение трансформаторов

1. Для передачи и распределения электрической энергии.

       В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются силовые трансформаторы с  масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200 – 1600 МВ*А.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя.

Трансформаторы, применяются для этой цели, называются преобразовательными. Их мощность достигает тысячи киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжение до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.

4. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения обеспечения  электробезопасности.

Трансформаторы, применяемые  для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Как правило, трансформаторы питания изготавливаются комбинированными, т.е. позволяющими снимать несколько напряжений; при этом первичная обмотка (сетевая) может быть выполнена в виде одной обмотки с двумя отводами или двух одинаковых обмоток с одним отводом в каждом из них. Во втором варианте первичная обмотка на различные напряжения (110, 127 или 220 В) переключается специальным сетевым переключателем.

         Повышающая обмотка трансформатора питания выполняется со средним выводом при использовании двух-полупериодного выпрямителя на двух диодах и  без среднего вывода для  мостовой схемы выпрямителя

Потери энергии в трансформаторе

Потери энергии в трансформаторе складываются из:

— потерь на нагревание обмоток; поэтому обмотки делаются из меди;

— потерь на нагревание сердечника; поэтому сердечник делается наборным, все пластины изолированы;

— потерь на перемагничивания сердечника; сердечник выполняется из мягкой трансформаторной стали.

При правильной конструкции КПД трансформатора достигает 97-99%. Чем больше мощность, тем больше КПД.

Релаксация под инструментальную музыку. «Я верю в себя!», «Я запоминаю учебный материал!», «Я чувствую себя бодрым и свежим!»

Закрепление:

1.Игра: «Верю- не верю», дети, являясь на уроке научными сотрудниками пытаются доказать правдивость своих утверждений оппонентам. Работа в парах.

2. Ассоциация на доске, Учитель рисует на доске цветок, середина и 4 лепестка. В центре основное понятие, а в лепестках его характеристики.

3. Решение задач.

Рефлексия

Что понравилось______________________

Что не понравилось________________

Что вызвало положительные эмоции____________

Домашнее задание.

Составить реферат на тему, экономии электрической энергии.

Самоанализ (нужное подчеркнуть)

  1. Чувствую вдохновение, подавленность .

  2. Интересно, неинтересно.

  3. Не устал(ла), устал(ла).

  4. Доволен (довольна), недоволен(недовольна).

  5. Вызвало затруднения(перечислить)___________________________________________________

_________________________________________________________________________________

Самоанализ (нужное подчеркнуть)

  1. Чувствую вдохновение, подавленность .

  2. Интересно, неинтересно.

  3. Не устал(ла), устал(ла).

  4. Доволен (довольна), недоволен(недовольна).

  5. Вызвало затруднения(перечислить)___________________________________________________

_________________________________________________________________________________

Самоанализ (нужное подчеркнуть)

  1. Чувствую вдохновение, подавленность .

  2. Интересно, неинтересно.

  3. Не устал(ла), устал(ла).

  4. Доволен (довольна), недоволен(недовольна).

  5. Вызвало затруднения(перечислить)___________________________________________________

_________________________________________________________________________________

Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220В до 660В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220В до 660В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220В до 660В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220В до 660В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

Трансформаторы

 Трансформатор — это электромагнитный аппарат, который способен изменять напряжение переменного тока. Трансформатор состоит из двух или более обмоток, которые связаны между собой через общий магнитный поток.

Обмотки изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов). Магнитная связь усиливается за счет сердечника, который состоит из листов электротехнической стали.

Обмотку трансформатора, которая соединяется с источником энергии, называют первичной. Обмотку, отдающую электроэнергию, а также величины, которые относятся к ней, называют вторичными. Соответственно все величины, характеризующие первичную обмотку, обозначают индексами 1, а вторичную — индексом 2.

Трансформаторы могут быть однофазным или трехфазным. Для трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой называют три фазные обмотки одного напряжения. По способу охлаждения трансформаторы могут быть сухими или масляными.

Щиток трансформатора содержит информацию о его номинальных напряжениях — высших и низших, номинальной и полной мощности, линейных токах, частоте, числе фаз, схеме и группе соединений и др. В случае, когда первичное напряжение U1 меньше вторичного U2, трансформатор называют повышающим, если U1 > U2, его называют понижающим.

Для трансформатора отношение амплитудных, мгновенных и действующих значений э. д. с. соответствует отношению количеств витков обмоток трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора очень высок, примерно 99%. Мощность Р1 подводится к первичной обмотке, в процессе работы происходят потери мощности на нагревание проводников в первичной обмотке Рпр1, на гистерезис и вихревые токи Рс, оставшаяся мощность попадает на вторичную обмотку: P1 = Р1 – Рпр1 – Рс. Потери во вторичной обмотке приходятся на нагрев проводников Рпр2, и оставшаяся мощность Р2 передается во внешнюю цепь. Таким образом, можно записать уравнение:

P2 = P12 – Рпр2 = Р1 – Рпр1 – Рс – Рпр2.


Трансформатор Николы Тесла :: Класс!ная физика

С 1889 Тесла приступил к исследованиям токов ВЧ и высоких напряжений и изобрёл резонансный трансформатор, позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона Вольт.

В наипростейшем виде такой трансформатор состоит из двух катушек, между обмотками которых нет ферромагнитного сердечника, и взаимоиндукция, возникающая между двумя катушками, небольшая.


Трансформатор обладает своими уникальными свойствами благодаря резонансу, который достигается из-за разряда в искровом промежутке.

Никола Тесла сам демонстрировал на выставке свой первый трансформатор высокой частоты. Тесла был подсоединен к этому устройству и из его рук в зал били ветвистые молнии, вызывающие ужас у посетителей. Публика была потрясена! Теслу считали чуть ли не колдуном. Но не смотря на пугающий внешний вид разрядов, они безвредны для человека, так как токи высокой частоты, проходя по самой поверхности кожи, не причиняют никакого вреда.

В начале столетия трансформатор Тесла использовался в медицине. Пациентов обрабатывали высоко- частотными токами, оказывавшими тонизирующее и оздоравливающее действие. Трансформатор Тесла и по сей день широко используется в радио- и телеаппаратуре, а также в других электроприборах.

Сейчас в магазинах можно увидеть «родственников» подобного устройства — стеклянные шары с эффектными разрядами внутри. Даже сейчас работа этих разрядных устройств удивляет и завораживает! А в радиоэлектронике широкое применение нашел строчник — трансформатор строчной развертки.


Другие страницы по теме «Никола Тесла и его изобретения»:

Трансформатор Николы Тесла
Эксперимент в Колорадо Спрингс. Передача энергии без проводов
Вдохновенный пророк электричества
Бестопливный генератор
Невероятно? Факт!
Предвидение Николы Тесла
Гипотезы и догадки
Электромобиль Николы Тесла
Музей Николы Тесла в Белграде

Генератор переменного тока.

Трансформатор

На одном из прошлых уроков мы с вами знакомились с переменным электрическим током и его свойствами. Мы узнали, что основная часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью электромеханических индукционных генераторов переменного тока, создающими синусоидальное напряжение.

Индукционным генератором переменного тока называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

Напомним, что основными частями индукционного генератора переменного тока являются:

индуктор — это постоянный магнит или электромагнит, который создаёт магнитное поле;

якорь — это обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;

и колле́ктор — контактные кольца и скользящие по ним контактные пластины (щётки), с помощью которых ток снимается или подводится к вращающимся частям.

Вращающаяся часть индукционного генератора называется ротором, а неподвижная статором.

Как вы знаете, электрический ток вырабатывается на различного рода электростанциях. А выработанная на них электроэнергия передаётся потребителю с помощью линий электропередач (сокращённо ЛЭП). Вроде бы всё просто, но тут есть несколько нюансов. Дело в том, что потребители электричества есть повсюду. А вот производится она в сравнительно немногих местах и, как правило, близко к источникам топливо- и гидроресурсов. Помимо этого электроэнергию невозможно законсервировать в огромных масштабах, поэтому она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому существует необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери энергии, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Но как это осуществить? Закон Джоуля — Ленца указывает на два различных пути решения этой проблемы. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи. Это можно сделать, взяв провода с большим сечением. Выясним на примере осуществимо ли это практически.

Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 кВт, создающий напряжение 120 В. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять медные провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10 % от передаваемой мощности?

Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.

Другой путь, ведущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи. Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения. Пусть теперь та же мощность в 200 кВт передаётся при напряжении 12 кВ. Тогда сила тока в линии электропередач составит примерно 16,67 А (то есть в сто раз меньше, чем в предыдущем случае). Так как величина тока уменьшилась в сто раз, то при тех же потерях мощности в ЛЭП сопротивление линии передачи увеличится в 1002 раз, то есть в 10 000. А вот сечение проводов в 10 000 раз уменьшиться и станет равным 4,86 мм2. Значит и вес меди, идущей на изготовление провода, уменьшится в те же 10 000 раз. Следовательно, передача энергии станет практически возможной.

Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением. При этом чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение в ней используется/

Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.

Трансформатор — это устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Днём рождения трансформатора переменного тока считается 30 ноября 1876 года — это дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым на устройство, предназначенное для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.

В основе работы любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Рассмотрим схему простейшего трансформатора. Итак, он состоит из двух изолированных катушек (обмоток) с разным числом витков в них. Обмотки находятся на сердечнике, который состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы.

Приложим к концам левой обмотки, которую мы будем называть первичной, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток. По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции, мгновенное значение которой равно первой производной магнитного потока через поверхность, ограниченную одним витком, по времени:

Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки, возбуждая в каждом из них такую же по величине ЭДС индукции, что и в каждом витке первичной обмотки.

Если первичная обмотка имеет N1 витков, а вторичная — N2 витков, то в обмотках индуцируются (без учёта потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно электродвижущие силы «ЭДС один» и «ЭДС два»:

Разделив почленно первое уравнение на второе, получим, что возникающие в катушках ЭДС индукции (самоиндукции) пропорциональны числу витков в них:

Обычно активное сопротивление обмоток катушек очень мало и им часто пренебрегают. Поэтому приложенное к концам первичной обмотки напряжение можно считать примерно равным возникающей в ней ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком:

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (это так называемый холостой ход трансформатора), то тока в ней нет, и напряжение на зажимах вторичной обмотки, равно индуцированной в ней ЭДС взятой с обратным знаком:

Мгновенные значения обеих ЭДС изменяются синфазно (то есть одновременно достигают максимумов и минимумов). Поэтому их значения можно заменить отношением действующих значений ЭДС или, учитывая предыдущие равенства, отношением действующих значений напряжений:

Величину К, равную отношению числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, называют коэффициентом трансформации.

В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (это повышающий трансформатор):

 В случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (это понижающий трансформатор):

Пока вторичная обмотка разомкнута, трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.

Нагрузим наш трансформатор, замкнув через нагрузку цепь его вторичной обмотки (это так называемый рабочий ход трансформатора). В этом случае происходит непрерывная передача энергии из первичной обмотки трансформатора в его вторичную обмотку. При этом мощность, выделяемая в первичной цепи и выделяемая на нагрузке, будут определяться уравнениями, представленными на экране:

Напомним, что здесь cos φ определяет коэффициент мощности переменного тока. Зная мощности тока в первичной и вторичной цепи трансформатора, можно найти коэффициент полезного действия последнего:

Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи должна бы быть равна мощности в первичной цепи:

В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики и сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Поэтому трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. А их коэффициент полезного действия достигает девяноста девяти процентов (99 %).

Иногда потерями в трансформаторе можно пренебречь и считать его КПД равным 100 %. Тогда из равенства мощностей первичной и вторичной цепи следует, что нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны приложенным к ним напряжениям:

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 350 витков, включён в сеть с напряжением 220 В. Ко вторичной обмотке трансформатора, имеющей 155 витков, включён потребитель сопротивлением 80 Ом. Какова сила тока во вторичной цепи, если падение напряжения на потребителе равно 70 В? Чему равно сопротивление вторичной катушки?

В заключение отметим, что напряжение, вырабатываемое генераторами на различных электростанциях, обычно не превышает 20 кВ. В то время, как мы показали ранее, для оптимальной передачи электричества на большие расстояния требуется напряжение в несколько сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, а затем — в линии электропередач. Но поскольку очень высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 В или 220 В. И лишь потом электроэнергию получают жилые дома и предприятия.

Н.Э. Хромова Урок по физике «Трансформаторы» 11 класс. — Уроки и внеклассные мероприятия — Разработки уроков и внеклассных мероприятий — Каталог статей

Конспект урока
Предмет: Физика
Учитель: Хромова Н.Э.
Класс: 11
Тема урока: Трансформаторы. Решение задач.
Цели урока:
1.Образовательные: изучить назначение, устройство и принцип действия трансформатора; рассмотреть примеры практического применения трансформаторов.
2.Развивающие: развивать умения выбирать и излагать главное, делать выводы: способствовать развитию логического мышления;
3.Воспитательные: воспитывать интерес к изучению физики
Оснащение урока:
Оборудование: разборные трансформаторы, действующий демонстрационный трансформатор, карточки с приложениями.
Презентация к уроку;
ТСО: компьютер, мультимедиапроектор
Тип урока: комбинированный
Урок рассчитан на 45 минут.
Ход урока.

I. Этап. Адаптационно – мотивационный этап (8 мин).
Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производит¬ся же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и водных ресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток вызывает их нагревание (Слайд 1)
Как бы вы думаете, как можно решить данную проблему?
(Возможные варианты ответов:
а). увеличивая размер поперечного сечения проводника увеличить передаваемое напряжение, при этом уменьшая его сопротивление ( ).
Данное решение проблемы является невыгодным, так как требуются огромные затраты для изготовления нового кабеля и опор.
б). необходимо уменьшить силу передаваемого тока при условии постоянного значения мощности).
Осуществить это можно при помощи прибора, который называется трансформатор. (Слайд 2).
Как вы думаете о чем мы сегодня будем говорить, какова тема урока?
Тема урока – «Трансформаторы». (Слайд 3)
Давайте определим цели нашего урока.
(Возможные варианты ответов: познакомиться с устройством, принципом работы и применением трансформаторов).
Целью урока является рассмотрение устройства, принципа действия прибора и практического использования трансформатора. (Слайд 4)
Давайте повторим.
1) В чём заключается явление электромагнитной индукции?
2) Дайте понятие магнитного потока и запишите формулу для его расчёта.
3) Сформулируйте закон электромагнитной индукции.
4) Какой ток называется переменным?
II. Этап. Основной этап.
Изучение нового материала (15 минут)
Немного истории… (Слайд 5)
Много лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии.
В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое легло в основу работы трансформатора. В этом же году появилось его схематическое изображение.
Яблочков Павел Николаевич в 1878 году использовал трансформатор для питания «электрических свечей» — нового в то время источника уличного света. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник.
Идея Яблочкова была развита сотрудником Московского университета Усагиным Иваном Филлиповичем.
Летом 1882 года на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве И. Ф. Усагин продемонстрировал своё изобретение — трансформатор промышленного типа, который значительно отличался от трансформатора П. Н. Яблочкова. Это была индукционная катушка оригинальной конструкции, позволяющая включать в цепь несколько источников света. При помощи трансформатора Усагина был освещён павильон электричества промышленно-художественной выставки. Своё изобретение Усагин называл «вторичным генератором».
Трансформатор – это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока, при котором напряжение уменьшается или увеличивается в несколько раз практически без потерь мощности. (Слайд 6)
Практическое задание.
-Познакомимся с устройством трансформатора.
У вас на столах лежат разборные трансформаторы. Внимательно рассмотрите их, укажите основные элементы трансформатора. (Слайд 7)
Возможные ответы обучающихся:
Замкнутый стальной сердечник, состоящий из отдельных пластин.
— Для чего сердечник изготавливают из пластин?
Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нём индукционных токов. Изготовление его из тонких стальных листов, изолированных друг от друга, приводит к значительному увеличению электрического сопротивления и уменьшению потерь на нагревание.
1) Катушки с проволочными обмотками — две,

Одна катушка подключается к источнику переменного напряжения и называется– первичная –, а вторая катушка подключается к потребителю и называется – вторичная. (Слайд 8)
(Слайд 9) Обозначение трансформатора в цепи:

Как вы думаете на каком явлении основано действие трансформатора?
На явлении электромагнитной индукции.
— Верно. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.
Трансформатор может работать в двух режимах:
1. Режим холостого хода. (Слайды 11,12)
Работа трансформатор на холостом ходу – это работа при разомкнутой цепи вторичной обмотке:
Мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:
Если Ф = Ф0 соsωt, то е´ = ω Ф0 sinωt, или ω Ф0 — амплитуда э.д.с. в одном витке.
В первичной обмотке, имеющей N1 витков, полная ЭДС индук¬ции e1 равна N1е., во вторичной обмотке полная ЭДС е2 равна N2е, где N2 — чис¬ло витков этой обмотки.
Отсюда следует, что
Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:
u1 + e1 = i1 R1,
где R1 — активное сопротивление обмотки, а i1 -сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего урав¬нения. Обычно активное сопротивле¬ние обмотки мало и произведением i1 R1 можно пре¬небречь.
Поэтому
u1 ≈ — e1. (2)
При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение u2 ≈ — e2 (3)
Так как мгновенные значения электродвижущих сил e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле можно заменить отношением дей¬ствующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U:

k – коэффициент трансформации.
Если k 1 – трансформатор понижающий.
2. Режим нагрузки. (Слайд 13)
Нагруженный трансформатор — это режим, при котором вторичная катушка соединена с потребителем.
При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ — e2 уже не выполняется точно, и соответ¬ственно связь между U1 и U2 становится более сложной.
Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи ,
; ,
где I1 и I2 — действующие значения силы в первичной и вто¬ричной обмотках,
поэтому, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
Применение трансформаторов. (Слайды 14, 15, 16)
Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Существует два типа трансформаторов: бытовые и силовые
Бытовые используют в источниках питания различных электроприборов, технологических и медицинских рентгеновских установках, электропечах, плазменных и лазерных установках, устройствах радиолокации и электроники.
В бытовой технике используют понижающие трансформаторы.
Силовые трансформаторы используют в линиях электропередач.
Мощные трансформаторы помещают в бак, заполненный охлаждающим маслом.
Трансформаторы бывают:
1) Разделительные — используются для обеспечения электрической безопасности приборами бытового и промышленного назначения. Рекомендуется подключать оборудование через разделительный трансформатор в случае отстутствия надёжного заземления, при работе на открытом воздухе, в помещениях с повышенной влажностью, при контакте электроприбора с водой и металлами.В данных условиях возможна опасность поражения электрическим током при повреждении изоляции электроприбора. Данные трансформаторы обеспечивают безопасность работы с электрооборудованием.
2) Измерительные — используют для измерения очень больших, очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях.
III. Творческий этап (17 минут)
Первичное закрепление.
1). Решение задач (10 минут)
(Приложение 2)
2). Выполнение теста (7 минут)
(Приложение 3)
Подведение итогов урока. ( 2 минуты)
Краткие итоги урока, выставление и комментирование оценок.
Домашнее задание. (1 минута)
§24,25, упр. 13, заполните таблицы (Приложение 1)

Приложение 1
Задание 1 . Заполните таблицу используя материал урока.
(учебник «Физика 11класс», автор С.А.Тихомирова , §24,25)
Таблица
Понятия Определение
Трансформатор – это…

Кем был изобретён трансформатор 1)
2)
Устройство трансформатора 1)
2)
3)
Обозначение трансформатора в цепи

На каком явлении основан принцип действия?

Трансформатор на холостом ходу
а)Чем характеризуется трансформатор?

б) Какие трансформаторы бывают
(в зависимости от коэффициента)

Работа нагруженного трансформатора (формулы)

Где применяют трансформаторы

Приложение 2.

Задание 2. Решите задачи:

Задачи по теме «Трансформаторы»
1. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?
2.Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков, включён в сеть напряжением 220В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включён резистор сопротивлением 80 Ом. Найти силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней 50В.
3.На первичную обмотку понижающего трансформатора с коэффициентов трансформации, равным 10, подается напряжение 220 В. Каково напряжение на выходе трансформатора, если сопротивление вторичной обмотки 2 Ом, а ток в ней равен 4 А?

Приложение 3
Тест по теме «Трансформаторы»
1 вариант
1.Трансформатор -это прибор, преобразующий переменный ток,при котором напряжение?
1)только увеличивается без потерь мощности;
2)уменьшается в несколько раз без потерь мощности;
3)увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности;
4)не изменяется;
2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?
1)электролиза;
2)электромагнитной индукции;
3) самоиндукции;
4) генерирования;
3. Как осуществляется передача электрической энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную?
1)с помощью электромагнитных волн;
2)по воздуху;
3)с помощью силы Лоренца;
4) помощью переменного магнитного поля, пронизывающего обе катушки;
4.В первичной обмотке трансформатора 100 витков, во вторичной – 20. Укажите правильное утверждение?
1)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор повышающий;
2)коэффициент трансформации равен 1000, трансформатор повышающий;
3)коэффициент трансформации равен 0,2, трансформатор понижающий;
4)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор понижающий;
5.Первичная обмотка трансформатора включена в сеть напряжением 20 В. На зажимах вторичной обмотки напряжение равно 200 В.Число витков во вторичной обмотке равно 1000.Чему равен коэффициент трансформации и число витков в первичной обмотке?
1) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 10;
2) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 100;
3) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 100;
4) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 10;

Тест по теме «Трансформаторы»

2 вариант

1. Трансформатор – это прибор, преобразующий …, в котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности?
1)постоянный ток;
2)изменяющееся электрическое поле;
3)переменный ток;
4)среди ответов нет правильного;
2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?
1)электролиза;
2)электромагнитной индукции;
3)генерирования;
4)самоиндукции;
3.В каком случае трансформатор является повышающим?
1) k =1;
2) k = 0;
3) k > 1;
4) k 4.В первичная обмотка трансформатора содержит 800 витков, вторичная – 3200. Укажите правильное утверждение?
1) Коэффициент трансформации равен 8,трансформатор повышающий;
2)коэффициент трансформации равен 0,25,трансформатор понижающий;
3) коэффициент трансформации равен 4,трансформатор понижающий;
4) коэффициент трансформации равен 0,25, трансформатор повышающий;
5.Трансформатор изменяет напряжение от 200 В до 1000 В. В первичной обмотке 20 витков. Определите коэффициент трансформации и число витков во вторичной обмотке?
1) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 4;
2) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 100;
3) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 100;
4) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 400;

ФИЗИКА: Преобразование переменного тока. Трансформатор.

Генератор переменного тока

Устройство, предназначенное для превращения механической энергии в энергию переменного тока, называется генератором переменного тока. В основу работы генератора положено явление электромагнитной индукции.

Рамка вращается в магнитном поле. Поскольку магнитный поток, пронизывающий рамку, изменяется с течением времени, то в ней возникает индуцированная ЭДС:

Ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное.

Основными частями генератора переменного тока являются: индуктор, якорь, коллектор, статор, ротор.

а) устройство ротора; б) работа генератора переменного тока

Переменный ток

Действующим (эффективным) значением переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделил бы такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Мощность переменного тока

Мощность в цепи переменного тока изменяется с течением времени. Поэтому введено понятие мгновенной мощности (мощность в некоторый момент времени) и средней мощности (мощность за длительный промежуток времени).

Трансформатор

Устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения.

Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока, а вторичная к потребителям электроэнергии.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь пронизывает витки вторичной обмотки, возбуждая в ней ЭДС индукции. Так как магнитный поток должен изменяться, трансформатор может работать только на переменном токе.

Напряжение на вторичной обмотке зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

При k>1 трансформатор будет понижающим, при k<1 — повышающим.

Режимы работы трансформатора. Режим холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. Рабочим режимом (ходом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с отличным от нуля сопротивлением. Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.

Передача и использование электрической энергии

Трансформаторы широко используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электрическая энергия, которая вырабатывается генераторами на электростанциях, передается к потребителям на большие расстояния. Линии, по которым электрическая энергия передается от электростанций к потребителям, называют линии электропередачи (ЛЭП).

При передачи электроэнергии неизбежны ее потери, связанные с нагреванием проводов. Чтобы уменьшить потери энергии, необходимо уменьшить силу тока в линии передачи. При данной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличения напряжения (P=UI). Для этого между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор. А затем, между ЛЭП и потребителем электроэнергии — понижающий трансформатор.

Трансформаторы . Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Еще до того как Штайнмец рационализировал использование переменного тока, и несмотря на огромные трудности, которые стояли на пути электриков в отсутствие этих знаний, а также несмотря на огромное сопротивление таких людей, как, например, Эдисон и Кельвин, борьба за применение переменного тока была выиграна. Причиной тому стало соображение, что переменный ток намного превосходил постоянный в отношении передачи его на большие расстояния.

Мощность электрического тока измеряется в ваттах и равняется разности потенциалов (в вольтах), умноженной на амперы силы тока. (Строго говоря, это так только в отсутствие сопротивления. Если присутствует индуктивное сопротивление, то мощность уменьшается на специальный фактор мощности. Однако это уменьшение можно сократить или вообще устранить путем введения соответствующего емкостного сопротивления, поэтому нас этот вопрос беспокоить не должен.)

Это означает, что ток одной и той же мощности может порождаться различными сочетаниями вольтов и амперов. Например, через некое устройство может пропускаться I ампер при 120 вольтах, или 2 ампера при 60 вольтах, или 5 ампер при 24 вольтах, или 12 ампер при 10 вольтах. Мощность во всех случаях будет одной и той же — 120 ватт.

В некоторых случаях выгоднее, чтобы ток заданной мощности появлялся при большом количестве вольт и малом — ампер, в других — наоборот. В последнем случае низкая разность потенциалов уменьшает риск пробоя изоляции или получения короткого замыкания.

И остается уже упомянутая проблема передачи электроэнергии на большие расстояния. Большая часть преимуществ использования электроэнергии была бы потеряна, если бы ее можно было использовать только поблизости от генератора.

Поскольку если ток посылать по проводам на далекие расстояния, то на нагрев проводов уйдет столько энергии, что либо до адресата дойдет ее слишком мало, либо потери придется сокращать за счет утолщения проводов до такой степени, что они станут слишком дорогими.

Как известно, выделение тепла пропорционально квадрату силы тока. Следовательно, если снизить силу тока до очень малой величины, увеличивая в то же время разность потенциалов для того, чтобы электрическая мощность оставалась неизменной, то на нагрев проводов будет тратиться гораздо меньше энергии.

Естественно, маловероятно, что это сочетание высокого напряжения и малой силы тока будет годиться для применения в обычных электрических устройствах. Следовательно, нам нужна ситуация, где одна и та же мощность будет при очень большом напряжении в момент передачи и при малом — в момент использования.

В случае с постоянным током совершенно нерационально пытаться изменить разность потенциалов тока — то вверх, то вниз — для сиюминутных нужд. Однако что касается переменного тока, с ним это несложно проделать с помощью трансформатора (устройства, трансформирующего (изменяющего) отношение силы тока к напряжению). В сущности, в 1831 году Фарадей изобрел именно трансформатор, когда, пытаясь получить индуцированный ток, принялся экспериментировать с железным кольцом и двумя катушками проволоки.

Фарадей обнаружил, что когда через одну катушку пропускают постоянный ток (который называется током в первичной обмотке), то во второй катушке (во вторичной обмотке) ток не возникает, кроме тех моментов, когда первичный ток только возникает или только заканчивается. Только тогда магнитные силовые линии просачиваются во вторичную обмотку. Однако если ток в первичной обмотке — переменный, то сила тока всегда то падает, то повышается.

И сила магнитного поля в железном кольце всегда то повышается, то падает. Силовые линии расширяются наружу и сжимаются внутрь снова и снова, а по мере того, как это происходит, они пересекают вторичную обмотку, производя переменный ток, который полностью отражает переменный ток в первичной обмотке.

Разность потенциалов индуцированного тока зависит от отношения количества витков во вторичной обмотке к количеству в первичной обмотке. Так, если ток в первичной обмотке имеет разность потенциалов в 120 вольт и если вторичная обмотка содержит в 10 раз больше витков проволоки, чем первичная, то индуцированный ток будет иметь разность потенциалов 1200 вольт. Это пример повышающего трансформатора.

Если производимый таким трансформатором индуцированный ток переходит в первичную обмотку другого трансформатора, вторичная обмотка которого содержит уже в 10 раз меньше витков, чем первичная, то производимый в ней ток вновь имеет 120 вольт. Этот второй трансформатор называется понижающим.

Этот индуцированный ток (если опустить потери на выделение тепла) должен иметь ту же мощность, что и изначальный ток. В противном случае получилось бы, что в процессе передачи появилась или пропала энергия, а этого быть не может. Это означает, что по мере увеличения разности потенциалов сила тока должна уменьшаться, и наоборот. Если ток в один ампер при 120 вольтах попадает в повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого содержит в 100 раз больше витков, чем первичная, и индуцированный ток будет иметь разность потенциалов в 12 000 вольт и силу тока в 1/100 ампера.

И в первичной, и во вторичной обмотке сила тока будет равной 120 ваттам.

Если используется генератор переменного тока, то изменение напряжения посредством трансформатора не составляет никакого труда. Повышающий трансформатор в особенности помогает поднять разность потенциалов на огромную высоту, а силу тока свести к минимуму. Такой ток можно передавать на большие расстояния по не особенно толстым проводам, и потери на выделение тепла ввиду малой силы тока будут не очень велики. Мощность же тока благодаря высокой разности напряжений будет передаваться полностью.

Когда ток доходит до места назначения, понижающий трансформатор приведет разность его потенциалов к более низкой величине, а силу тока — к более высокой, и его можно будет использовать в бытовой и промышленной технике. Для работы некоторых устройств может требоваться более высокое или более низкое напряжение, к которому ток приводят правильно подобранные трансформаторы.

Передача переменного тока на дальние расстояния с применением высокого напряжения стала возможной вследствие работа хорвато-американского инженера-электрика Николы Теслы (1957–1943). Однако его опередил Джордж Вестингауз, выигравший в 1893 году право постройки гидроэлектростанции (электростанции, где сила падающей воды вращает турбины, которые поворачивают якоря, что производит электричество) на Ниагарском водопаде для производства и передачи переменного тока.

С тех пор переменный ток приобрел всеобщее распространение, и именно с тех пор электричество стало гибкой и легко приспосабливаемой формой полезной энергии.

15.7: Трансформеры — Физика LibreTexts

Цели обучения

По окончании раздела вы сможете:

  • Объяснить, почему электростанции передают электричество при высоком напряжении и низком токе и как они это делают
  • Разработка взаимосвязей между током, напряжением и количеством обмоток в повышающих и понижающих трансформаторах

Хотя электроэнергия переменного тока производится при относительно низком напряжении, она передается по линиям электропередачи при очень высоком напряжении (до 500 кВ).2R\) омические потери в линиях передачи, которые могут быть значительными на линиях протяженностью в несколько километров (рисунок \(\PageIndex{1}\)).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Среднеквадратичное напряжение электростанции в конечном итоге должно быть снижено с 12 кВ до 240 В, чтобы его можно было безопасно ввести в дом. Высоковольтная линия электропередачи позволяет передавать слабый ток через подстанцию ​​на большие расстояния.

Обычно переменная ЭДС, создаваемая на электростанциях, «усиливается» до очень высокого напряжения перед передачей по линиям электропередач; затем их необходимо «понизить» до относительно безопасных значений (110 или 220 В, среднеквадратичное значение), прежде чем они будут введены в дома.Устройством, преобразующим напряжение из одного значения в другое с помощью индукции, является трансформатор (рис. \(\PageIndex{2}\)).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Трансформаторы используются для понижения высокого напряжения в линиях электропередачи до 110–220 В, используемого в домах. (кредит: модификация работы «Fortyseven»/Flickr)

Как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\), трансформатор в основном состоит из двух отдельных катушек или обмоток, намотанных на сердечник из мягкого железа. Первичная обмотка имеет \(N_p\) петель или витков и подключена к переменному напряжению \(v_p(t)\).Вторичная обмотка имеет \(N_s\) витков и подключена к нагрузочному резистору \(R_s\). Мы предполагаем идеальный случай, когда все силовые линии магнитного поля ограничены сердечником, так что один и тот же магнитный поток пронизывает каждый виток как первичной, так и вторичной обмоток. Также пренебрегаем потерями энергии на магнитный гистерезис, на омический нагрев в обмотках и на омический нагрев наведенных вихревых токов в сердечнике. Хороший трансформатор может иметь потери всего 1% от передаваемой мощности, так что это неплохое предположение.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Повышающий трансформатор (больше витков во вторичной обмотке, чем в первичной). Две обмотки намотаны на сердечник из мягкого железа.

Для анализа схемы трансформатора сначала рассмотрим первичную обмотку. Входное напряжение \(v_p(t)\) равно разности потенциалов, наведенной на первичной обмотке. По закону Фарадея наведенная разность потенциалов равна \(- N_p (d\Phi /dt)\), где \(\Phi\) — поток через один виток первичной обмотки. Таким образом,

\[v_p(t) = -N_p\dfrac{d\Phi}{dt}. \номер\]

Аналогично, выходное напряжение \(v_s(t)\), подаваемое на нагрузочный резистор, должно равняться разности потенциалов, индуцированной на вторичной обмотке. Поскольку трансформатор идеальный, поток через каждый виток вторичной обмотки также равен \(\Phi\) и

\[v_s (t) = -N_s \dfrac{d\Phi}{dt}. \номер\]

Объединив последние два уравнения, мы получим

.

\[v_s(t) = \dfrac{N_s}{N_p} v_p(t).\метка{15.20}\]

Следовательно, при соответствующих значениях \(N_s\) и \(N_p\) входное напряжение \(v_p(t)\) может быть «повышено» \((N_s > N_p)\) или «уменьшено» \((N_s < N_p)\) до \(v_s(t)\), выходное напряжение. Это часто сокращается как уравнение трансформатора ,

.

\[\dfrac{V_s}{V_p} = \dfrac{N_s}{N_p},\label{transformerEQ}\]

, который показывает, что отношение вторичных и первичных напряжений в трансформаторе равно отношению числа витков в их обмотках. Для повышающего трансформатора , повышающего напряжение и уменьшающего ток, это отношение больше единицы; для понижающего трансформатора , уменьшающего напряжение и увеличивающего ток, этот коэффициент меньше единицы.

По закону сохранения энергии мощность, вводимая в любой момент \(v_p(t)\) в первичную обмотку, должна быть равна мощности, рассеиваемой на резисторе вторичной цепи; таким образом,

\[i_p(t)v_p(t) = i_s(t)v_s(t). \номер\]

В сочетании с уравнением \ref{transformerEQ} это дает

\[i_s(t) = \dfrac{N_p}{N_s} i_p(t).2 р_с. \номер\]

Наш анализ основан на мгновенных значениях напряжения и тока. Однако полученные уравнения не ограничиваются мгновенными значениями; они справедливы также для максимальных и среднеквадратичных значений.

Пример \(\PageIndex{1}\): понижающий преобразователь

Трансформатор на опоре снижает среднеквадратичное напряжение с 12 кВ до 240 В.

  1. Каково отношение количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной обмотки?
  2. Если входной ток трансформатора равен 2. 2R = (2.6 \, Вт. \номер\]

    Поэтому, когда необходимо передать мощность, мы хотим избежать потери мощности. Таким образом, линии передаются с высоким напряжением и низким током и регулируются с помощью трансформатора перед подачей электроэнергии в дома.

    Значение

    Это применение понижающего трансформатора позволяет дому, в котором используются розетки на 240 В, иметь 100 А для использования. Это может привести в действие многие устройства в доме.

    Упражнение \(\PageIndex{1}\)

    Трансформатор понижает линейное напряжение со 110 до 9.0 В, чтобы к дверному звонку можно было подать ток 0,50 А.

    1. Каково соотношение числа витков в первичной и вторичной обмотках?
    2. Какой ток в первичной обмотке?
    3. Какое сопротивление видит источник 110 В?
    Ответить на

    12:1

    Ответ б

    0,042 А

    Ответ c

    \(2. 3 \, \Омега\)

    SPM Physics Form 4/Form 5 Примечания к редакции

    Что такое трансформатор?
    Трансформатор — это устройство, которое используется для повышения или понижения разности потенциалов переменного тока.
    Функция:
    Функция трансформатора заключается в увеличении или уменьшении разности потенциалов источника переменного тока.
    Структура и технические условия
    1. Трансформатор состоит из 3-х частей, а именно
    1. Первичная цепь
    2. Сердечник
    3. Вторичная цепь

    Первичный контур:
    Первичная цепь — это цепь, которая подключена к источнику входной энергии.Ток, разность потенциалов и катушка (обмотка) в первичной цепи называются соответственно первичным током (Ip), первичной разностью потенциалов (Vp) и первичной катушкой.

    Сердечник:
    Сердечник представляет собой ферромагнитный металл, намотанный первичной и вторичной катушкой. Функция сердечника состоит в том, чтобы передавать изменяющийся магнитный поток от первичной катушки к вторичной катушке.

    Вторичная цепь:
    Вторичная цепь — это цепь, подключенная к выходу трансформатора.Ток, разность потенциалов и катушка (обмотка) во вторичной цепи называются вторичным током (Is), вторичной разностью потенциалов (Vs) и вторичной катушкой соответственно.

    Принцип работы трансформатора
    1. Трансформатор состоит из первичной и вторичной катушек, намотанных на сердечник из мягкого железа.
    2. Когда в первичной обмотке протекает переменный ток, вокруг первичной обмотки создается изменяющийся магнитный поток.
    3. Изменяющийся магнитный поток передается на вторичную катушку через железный сердечник.
    4. Изменяющийся магнитный поток отсекается вторичной катушкой, поэтому возникает ЭДС. во вторичной катушке.
    5. Величину выходного напряжения можно регулировать соотношением количества первичных и вторичных катушек.
    Виды тока в трансформаторе
    1. Ток в первичной цепи должен быть переменным, поскольку переменный ток может создавать изменяющийся магнитный поток. Чтобы индуцировать э., необходим изменяющийся магнитный поток.м.ф. во вторичной обмотке.
    2. Наведенный ток во вторичной обмотке также является переменным током. Частота переменного тока во вторичной обмотке такая же, как и частота первичного тока.
    3. Переменный ток во вторичной цепи можно преобразовать в постоянный с помощью пары диодов.
    На рисунке слева показан символ трансформатора. Две линии между катушками обозначают сердечник. Physics Animation
    Applet
    Transformer — Molecular Expression
    Transformer — ngsir.netfirms.com
    Электромагнитная колебательная схема — Walter Fendt

    Рекомендуемые видео

    Как работают трансформаторы

    Трансформер Анимация

    Внешняя ссылка
    Трансформатор — physics. kenyon.edu

    Transformers — Power Transformers — Видео по физике от Brightstorm

    Трансформаторы используются для преобразования одного тока в другой ток. Повышающие трансформаторы увеличивают напряжение тока, а понижающие трансформаторы уменьшают напряжение.2)Р нагрев. В этом процессе необходимы повышающие трансформаторы для накачки напряжения с использованием переменного тока.

    Итак, давайте поговорим о трансформаторах и передаче энергии, так как на самом деле это очень важный аспект электричества и магнетизма, который был известен примерно с 1885 года, может быть, немного раньше, когда Никола Тесла действительно продвигал эту идею, так что вот идея.

    Когда мы пытаемся передать энергию по длинным линиям электропередач, мы всегда теряем.Мы страдаем от потери мощности из-за так называемого нагрева в квадрате, и это потому, что каждый провод, независимо от того, из чего мы его делаем, будет иметь некоторое сопротивление, вы знаете, некоторое сопротивление, потому что этот материал имеет сопротивление, и это означает, что чем длиннее провод, тем больше сопротивление, поэтому, если у нас есть провод длиной 10 футов, всем наплевать. Если длина провода составляет 1000 миль, это приводит к проблеме, и поэтому мы получаем этот нагрев, связанный с I в квадрате r, поэтому обратите внимание, что этот нагрев станет меньше, если я смогу сделать ток действительно маленьким, поэтому все, что нам нужно сделать, это просто передать мощность на очень низкий ток, но мы пытались сделать это с постоянным током, у нас возникла серьезная проблема, потому что низкий ток означает, что у нас не так много электронов, которые что-то делают, а с питанием от постоянного тока это то, что вам нужно, вам нужны электроны, которые делают что-то, поэтому, если мы есть небольшой ток, в любом случае нет причин для передачи мощности, потому что мощности не очень много, поэтому, в качестве альтернативы, мы можем сделать, используя переменный ток, мы можем увеличить напряжение.Что прекрасно в этом, так это то, что при использовании переменного тока и электромагнитной индукции, когда мы повышаем напряжение, мощность должна оставаться постоянной. Теперь мощность, которую мы передаем, равна IV току, умноженному на разность потенциалов, которая должна оставаться постоянной, поэтому, если мы увеличим напряжение, скажем, в сто раз, то что должно произойти, чтобы I умножить на V осталось прежним, ну это означает, что мы должны снизить ток в сто раз. Теперь, когда мы отправляем это в линию передачи, теперь I уменьшается в сто раз, так что это означает, что я в квадрате r уменьшается в 10 000 раз, так что это очень очень полезно, и в стандартных сообществах вы будете использовать шаг трансформатор, подобный этому, чтобы поднять напряжение от стандартного домашнего хозяйства, такого как 120 вольт, до стандартного напряжения передачи 450 000 вольт, и вот как это работает.

    Итак, давайте посмотрим и посмотрим, как строится трансформатор, основанный на идее электромагнитной индукции, но нам нужно сделать кое-что, чтобы сделать это возможным, так что вот что мы собираемся сделать, мы у нас будет наш первичный элемент, и у нас есть провод, и это то, что несет ток, и он наматывается на железный сердечник, хорошо, нам нужно использовать железо или какой-либо другой мягкий ферромагнитный материал, он должен быть магнитным, но он также должен быть очень непостоянен в своем магнетизме, поэтому ему просто нужно прислушиваться к тому, что ему говорит внешнее магнитное поле, постоянный магнит не будет работать в качестве сердечника трансформатора, поэтому давайте посмотрим, почему.Хорошо, у нас есть этот входящий ток, мы оборачиваем его вокруг части железного сердечника несколько раз больше, чем я собираюсь назвать n sub p для количества первичных витков, хорошо? А потом отправляем. Теперь этот ток будет проходить, и поскольку это ток, он создаст магнитное поле. Что теперь происходит с этим магнитным полем? Что ж, это мягкий ферромагнит, поэтому, если магнитное поле, связанное с этим парнем, направлено вверх, тогда весь железный сердечник будет генерировать магнитное поле, которое циркулирует вокруг магнитного поля, которое первичный элемент просит его использовать, и посмотрите, что произойдет.Теперь здесь есть магнитное поле, которое пронизывает вторичную часть цепи. Теперь просто оставим это таким образом, ничего не произойдет, хорошо, что будет как постоянный ток, хорошо, у нас есть магнитное поле, что вы хотите? Есть магнитное поле, чтобы использовать электромагнитную индукцию или закон Фарадея-Ленца, нам нужно изменить это магнитное поле, и мы собираемся это сделать, изменив этот ток, который идет в первичную обмотку, и мы мы собираемся сделать это, используя переменный ток, поэтому мы собираемся изменять его 60 раз в секунду, теперь это изменяет это магнитное поле, следовательно, изменяя это магнитное поле и изменяя поток этого магнитного поля через эту часть цепи.

    Итак, за счет электромагнитной индукции, что она делает, так это то, что она генерирует ток здесь, поэтому у нас был ток здесь, изменяя этот ток, изменяет магнитное поле, циркулирующее через железный сердечник, а затем это изменяет магнитный поток, проходящий здесь, а затем через Фарадея — Ленца, который генерирует ток здесь, и об этом нужно немного подумать, но в этом есть смысл, вы знаете, что требуется минута, чтобы действительно понять все, что вы знаете, магнитное поле, проходящее здесь, что угодно, но в конечном итоге дело в том, что разность потенциалов между этими двумя частями провода пропорциональна тому, сколько у нас витков провода, а это означает, что отношение вторичного потенциала к первичному равно отношению числа витков, и это геометрический факт, как много раз вы переворачивали его от вторичной стороны до количества оборотов на первичной стороне.Это означает, что если я приду и заверну только один раз, а здесь, на вторичной стороне, я оберну сто раз, то напряжение здесь, на вторичной стороне, будет в сто раз больше, чем напряжение здесь, на первичной стороне, и это означает, что ток будет в сто раз меньше. Итак, это называется повышающим трансформатором, потому что он повышает напряжение на коэффициент, в данном случае на четыре трети, ладно, может быть, это не очень хороший повышающий трансформатор, но неважно, а потом я его повышу. Я передам свою силу на то, сколько сотен миль мне нужно от электростанции до домов, а затем в домах я бегу этого парня назад, наступая на спину, и я готов идти.Опять же, одно из чудес переменного тока, которое мы не могли получить от старой системы постоянного тока, — это трансформаторы и передача энергии.

    Сколько различных типов трансформатора с диаграммой?

    типы трансформаторов

    Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое используется для преобразования заданной ЭДС переменного тока в большую или меньшую ЭДС переменного тока. В основном существует два основных типа трансформаторов: повышающий трансформатор, который преобразует низкое входное напряжение в высокое выходное напряжение, и понижающий трансформатор, который преобразует высокое входное напряжение в низкое.Трансформаторы применяются для регулирования переменного тока, выпрямления, зарядки аккумуляторов и т.п.

    В трансформаторе одна катушка называется первичной обмоткой, а другая — вторичной обмоткой, и к вторичной обмотке подключается нагрузка. Первичная обмотка является входной, а вторичная — выходной. Сторону цепи, на которую подается напряжение источника, обычно называют первичной, а сторону, на которую подается индуцированное напряжение, — вторичной.

    Обмотка трансформатора сформирована вокруг сердечника . Сердечник обеспечивает как физическую структуру для размещения обмоток, так и магнитный путь, так что магнитный поток концентрируется вблизи катушек. Существует три основных категории материала сердечника: воздух, феррит и железо. Схематическое обозначение для каждого типа показано на рисунке ниже:

    Трансформаторы с воздушным сердечником и ферритовым сердечником обычно используются для высокочастотных приложений и состоят из обмоток на изолирующей оболочке, которая является полой (воздушной) или изготовлена ​​из феррита.

    Трансформаторы с железным сердечником

    обычно используются для звуковых частот (AF) и силовых приложений. Эти трансформаторы состоят из обмоток на сердечнике, изготовленном из слоистых листов ферромагнитного материала, изолированных друг от друга.

    Эта конструкция обеспечивает легкий путь для магнитного потока и увеличивает степень связи между обмотками.

    В оболочковой конструкции обе обмотки находятся на одном плече. Каждый тип имеет определенные преимущества. Как правило, сердечник имеет больше места для изоляции и может выдерживать более высокие напряжения.Тип оболочки может создавать более высокие магнитные потоки в сердечнике, что приводит к необходимости меньшего количества витков.

    Как работает трансформатор в физике?

    Работает по принципу взаимной индукции между двумя катушками. Принципиально трансформатор состоит из двух катушек из меди, электрически изолированных друг от друга, намотанных на один и тот же железный сердечник. Катушка, на которую подается питание переменного тока, называется первичной, а та, от которой питание подается в цепь, называется вторичной.

    Следует отметить, что между двумя катушками нет электрического соединения, но есть магнитное соединение. Предположим, что к первичной обмотке приложена переменная ЭДС. Если в какой-то момент t поток в первичной обмотке изменяется со скоростью ΔΦ/Δt, то в первичной обмотке возникнет противо-ЭДС, которая будет противодействовать приложенному напряжению. Мгновенное значение ЭДС самоиндукции определяется как:

    Если сопротивление катушки незначительно, то противо-ЭДС равна и противоположна приложенному напряжению V p .

    Где N p количество витков в первичке.

    Предполагая, что поток через первичную обмотку также проходит через вторичную обмотку, т. е. две катушки тесно связаны, скорость изменения потока во вторичной обмотке также будет ΔΦ/Δt, а величина ЭДС индукции во вторичной обмотке определяется выражением :

    Где N  – количество витков в первичной обмотке.

    Разделив два вышеуказанных соотношения, получим:

    Важно отметить, что электрическая мощность в трансформаторе преобразуется из первичной обмотки во вторичную посредством изменения магнитного потока. В идеальном случае мощность на входе первичной обмотки почти равна выходной мощности вторичной обмотки:

    I p – это ток в первичной обмотке, а I s во вторичной обмотке.Таким образом, токи обратно пропорциональны соответствующему напряжению. Поэтому в повышающем трансформаторе при повышении напряжения на вторичной обмотке значение тока уменьшается.

    На этом принципе основано его использование в сети электроснабжения, где трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, чтобы его можно было передавать на большие расстояния без больших потерь мощности. При прохождении тока I через сопротивление R экономичнее, чем потери мощности из-за теплового эффекта 2 R.

    Предположим, что R — сопротивление линии передачи. Чтобы свести к минимуму потери при передаче, уменьшить R невозможно, так как это требует использования толстого медного провода, что становится крайне неэкономичным. Этой цели хорошо служит уменьшение I. 

    На электростанции повышено напряжение до нескольких тысяч вольт, и мощность передается на большие расстояния без особых потерь. Затем понижающие трансформаторы снижают напряжение до безопасного значения в конце линии, где находится потребитель электроэнергии.Внутри дома можно использовать трансформатор для понижения напряжения с 250 вольт до 9 вольт для звонка в звонок или работы транзисторного радиоприемника. Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками применяются в телевизионных и радиоприемниках, где требуется несколько различных напряжений.

    Только в идеальном трансформаторе выходная мощность почти равна входной мощности. Но в реальном трансформаторе это не так. Выход всегда меньше входа из-за потерь мощности. Существуют две основные причины потери мощности, а именно вихревые токи и магнитный гистерезис.

    Для усиления магнитного потока первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны на сердечник из мягкого железа. Поток, создаваемый катушками, также проходит через сердечник. При изменении магнитного потока через сплошной проводник индуктивные токи возникают по замкнутым путям в теле проводника. Эти индуцированные токи возникают в направлении, перпендикулярном потоку, и называются вихревыми токами.

    Приводит к рассеиванию мощности и нагреву материала сердечника.Чтобы свести к минимуму потери мощности из-за протекания этих токов, сердечник ламинирован с изоляцией между слоями ламинирования, которая останавливает поток вихревых токов. Гистерезисные потери — это энергия, затрачиваемая на намагничивание и размагничивание материала сердечника в каждом цикле переменного тока

    .

    Из-за этих потерь мощности трансформатор далек от идеала. Его выходная мощность всегда меньше входной мощности. КПД трансформатора определяется как:

    Для повышения эффективности следует позаботиться о том, чтобы свести к минимуму все потери мощности.Например, сердечник должен быть собран из ламинированных листов материала, площадь петли гистерезиса которого очень мала. Изоляция между ламинированными листами должна быть идеальной, чтобы предотвратить протекание вихревых токов. Сопротивление первичной и вторичной катушек должно быть сведено к минимуму. Поскольку передача мощности от первичной и вторичной обмотки происходит через потокосцепления, то первичная и вторичная обмотки должны быть намотаны таким образом, чтобы потокосцепление между ними было максимальным.

    Типы трансформаторов

    Функционально трансформаторы, используемые в электронных схемах, можно классифицировать в соответствии с диапазоном частот, в котором они работают, например:

    Трансформаторы звуковой частоты (AF)

    Они предназначены для работы в диапазоне звуковых частот (AF) от 20 Гц до 20 кГц, имеют многослойный сердечник и обычно меньше силовых трансформаторов.В основном они используются для согласования импеданса и, в некоторых случаях, для усиления напряжения. Такие трансформаторы обычно обозначаются в соответствии с их применением как входной или выходной трансформатор, трансформатор модуляции, межкаскадный трансформатор и т. д. Обычно они оцениваются по их первичному и вторичному импедансу и токопроводящей способности.

    Радиочастотные (РЧ) трансформаторы

    Они предназначены для работы на высоких частотах (выше звукового диапазона) и называются трансформаторами промежуточной частоты (ПЧ) или радиочастотными трансформаторами.Они могут иметь воздушный сердечник или ферритовый сердечник. Большинство ВЧ-трансформаторов имеют одну или обе обмотки, настроенные совместно с конденсатором, они образуют резонансный контур, который лучше всего работает на одной конкретной частоте.

    Силовые трансформаторы

    Обычно имеют ламинированный сердечник и одну первичную обмотку, но несколько изолированных друг от друга вторичных обмоток. Они обычно используются в источниках питания электронного оборудования и обеспечивают различные напряжения переменного тока, необходимые для получения постоянного напряжения.

    Практичный трансформатор

    До сих пор работа трансформатора обсуждалась с идеальной точки зрения. То есть сопротивление обмотки, емкость обмотки и неидеальные характеристики сердечника не учитывались, а трансформатор рассматривался так, как если бы он имел КПД 100%. Для изучения основных понятий и во многих приложениях подходит идеальная модель. Однако практичный трансформатор имеет несколько неидеальных характеристик, о которых следует знать.

    Сопротивление обмотки

    И первичная, и вторичная обмотки практического трансформатора имеют сопротивление обмотки. Вы узнали о сопротивлении обмоток катушек индуктивности. Сопротивление обмотки практического трансформатора представлено резисторами последовательно с обмоткой, как показано на рисунке:

                               Рисунок……………….

              Сопротивление обмотки практического трансформатора приводит к меньшему напряжению на вторичной нагрузке. Падение напряжения из-за сопротивления обмотки фактически вычитается из первичных и вторичных напряжений и приводит к напряжению нагрузки, которое меньше, чем предсказанное соотношением V sec = nV pri .Во многих случаях эффект относительно невелик и им можно пренебречь.

    Потери в активной зоне

    всегда есть некоторое преобразование энергии, это основной материал практического трансформатора. Это преобразование проявляется как нагрев ферритовых и железных сердечников, но не происходит в воздушных сердечниках. Часть этого преобразования энергии происходит из-за постоянного изменения направления магнитного поля из-за изменения направления первичного тока; Эта составляющая преобразования энергии называется гистерезисными потерями.

    Остальная часть преобразования энергии в тепло вызвана вихревыми токами, возникающими, когда напряжение индуцируется в материале сердечника изменяющимся потоком материала в соответствии с законом Фарадея. вихревые токи возникают по круговой схеме в сопротивлении сердечника, выделяя при этом тепло. это преобразование в тепло значительно снижается за счет использования многослойной конструкции железных сердечников. Эти тонкие слои ферромагнитного материала изолированы друг от друга, чтобы свести к минимуму накопление вихревых токов, ограничивая их небольшой площадью и сводя потери в сердечнике к минимуму.

    Утечка магнитного потока

    в идеальном трансформаторе предполагается, что весь магнитный поток, создаваемый первичным током, проходит через сердечник во вторичную обмотку и наоборот. в практическом трансформаторе некоторые линии магнитного потока выходят из сердечника и проходят через окружающий воздух обратно к другому концу обмотки. Для магнитного поля, создаваемого первичным током. Утечка магнитного потока приводит к уменьшению вторичного напряжения.

                               Рисунок,………………………….

    Процент магнитного потока, который фактически достигает вторичной обмотки, определяет коэффициент связи трансформатора. Например, если девять из десяти линий потока остаются внутри сердечника, коэффициент связи 0,90 или 90%. Большинство трансформаторов с железным сердечником имеют очень высокий коэффициент связи (более 0,99), в то время как устройства с ферритовым и воздушным сердечником имеют более низкие значения.

    Емкость обмотки

    Как вы наклонялись, всегда есть некоторая паразитная емкость между соседними витками обмотки.Эти паразитные емкости создают эффективную емкость параллельно каждой обмотке трансформатора.

    Случайные емкости имеют очень мало влияния на операцию трансформатора на низких частотах (таких как частоты линии электропередачи), поскольку реакцию (x C) очень высок. Однако на более высоких частотах реактивные сопротивления уменьшаются и начинают создавать эффект шунтирования первичной обмотки и вторичной нагрузки.В результате меньшая часть общего первичного тока проходит через первичную обмотку, а меньшая часть полного вторичного тока проходит через нагрузку. Этот эффект снижает напряжение нагрузки по мере увеличения частоты.

    Подробнее: Электричество и магнетизм

    Номинальная мощность трансформатора:

    Силовой трансформатор обычно измеряется в вольт-амперах (ВА), первичном/вторичном напряжении и рабочей частоте. Например, заданная мощность трансформатора может быть указана как 2 кВА, 500/50,60 Гц. Значение 2 кВА — это номинальная полная мощность.500 и 50 могут быть как вторичными, так и первичными напряжениями. 60 Гц — рабочая частота.

                            Номинальные характеристики трансформатора могут быть полезны при подборе подходящего трансформатора для данного приложения. предположим, например, что вторичное напряжение 50 В, в этом случае ток нагрузки:

                                       Формулы,……………………………….

    КПД трансформатора:

     Напомним, что мощность, подаваемая на нагрузку, равна мощности, подаваемой на первичную обмотку в идеальном трансформаторе, потому что только что обсуждавшаяся неидеальная характеристика приводит к потерям мощности в трансформаторе, вторичная (выходная) мощность всегда меньше первичной (входной). ) власть.КПД ( η ) трансформатора представляет собой процент входной мощности, которая передается на выходе.

                                

    КПД большинства силовых трансформаторов под нагрузкой превышает 95 %.

    См. также: Разница между повышающим и понижающим трансформаторами

    Работа трансформатора — Мини-физика

    Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразует высокое переменное напряжение при слабом токе в низкое переменное напряжение при сильном токе или наоборот.

    Структура трансформатора:

    • Первичная катушка: подключена к первичному входному напряжению ($V_{p}$) с витками ($N_{p}$)
    • Вторичная обмотка: подключена к нагрузке с выходным напряжением ($V_{s}$) с витками ($N_{s}$)
    • Сердечник из мягкого железа: Катушки намотаны на многослойный сердечник из мягкого железа, который состоит из тонких листов мягкого железа, изолированных друг от друга. Ламинирование сердечника из мягкого железа снижает потери тепла из-за наведенных токов, которые могли бы образоваться в сердечнике без ламинирования.

     

    Повышающий трансформатор — это трансформатор, в котором Э.Д.С. во вторичной обмотке больше, чем Э.Д.С. в первичной обмотке. Понижающий трансформатор — это трансформатор, в котором ЭДС во вторичной обмотке меньше э.д.с. в первичной обмотке.

     

    Уравнение, связывающее напряжение и число витков:

    $\frac{V_{s}}{V_{p}} = \frac{N_{s}}{N_{p}}$

     

    Передаточное отношение: $\frac{N_{s}}{N_{p}}$

    Передача мощности в трансформаторе: мощность в первичной обмотке = мощность во вторичной обмотке

    $I_{p}V_{p} = I_{s}V_{s}$

     

    Проблемы и улучшения трансформатора:

    • В проводах может выделяться тепло, что снижает эффективность передачи электроэнергии.Soln: Сделайте провода толстыми, так как это уменьшит сопротивление $\rightarrow$ уменьшит выделение тепла
    • Линии магнитного поля могут просачиваться, поэтому не все линии проходят через вторичную катушку. Soln: Используйте круглый сердечник
    • .
    • Ток, наведенный в ядре, может вращаться вокруг нагрева ядра. Soln: Сделать сердцевину из тонких ламинированных листов. Ламинирование предназначено для предотвращения потери энергии за счет тепла, которое в противном случае могло бы генерироваться индуцированными токами неламинированного сердечника, поскольку токи не могут проходить между пластинами.{2}

      реалов

      Чтобы уменьшить потери мощности, мы должны минимизировать I и R.

      Для уменьшения сопротивления R можно использовать очень толстые кабели. Однако толстые кабели тяжелые и дорогие. Следовательно, лучший вариант — уменьшить I.

      Чтобы уменьшить I, мы можем использовать повышающие трансформаторы для увеличения напряжения передачи и уменьшения тока. Это уменьшит потери энергии из-за джоулева нагрева.

       

      Трансформаторы – переменного тока, повышающий трансформатор, понижающий трансформатор, первичная обмотка, вторичная обмотка, железный сердечник

      Трансформаторы для изменения напряжения сети переменного тока.

      Иногда трансформаторы делают выходное напряжение больше, чем входное напряжение, это ПОВЫШАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР . В повышающем трансформаторе на вторичной обмотке больше витков провода, чем на первичной.

      Иногда трансформаторы делают выходное напряжение меньше, чем входное напряжение, это ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР . В понижающем трансформаторе на первичной обмотке больше витков провода, чем на вторичной.

      Трансформаторы

      используются в национальной сети.

      Как работает трансформатор

      Переменный ток (ac) в первичной катушке (входная катушка) создает изменяющееся магнитное поле в многослойном сердечнике из мягкого железа .

      Изменяющееся магнитное поле индуцирует разность потенциалов (напряжение) во вторичной катушке (выходная катушка).

      Уравнения для трансформаторов

      Мы можем рассчитать выходное напряжение трансформатора, если знаем входное напряжение и количество витков (витков) на первичной и вторичной обмотках, используя приведенное ниже уравнение;

      В p = ввод разности потенциалов (напряжения) на первичной обмотке

      В с = разность потенциалов (напряжение) на вторичной обмотке

      n p = количество витков провода на первичной обмотке

      n s = количество витков провода на вторичной обмотке

      Трансформаторы являются очень эффективными устройствами, если мы предположим, что они на 100% эффективны (без потерь энергии), тогда электрическая входная мощность будет равна электрической выходной мощности, и это дает новое уравнение для использования;

      Где I p — ток в первичной обмотке, а I s — ток во вторичной обмотке.

      Нажмите, чтобы перейти к трансформаторам режима переключения.

      Transformers From Physclips: Механика с анимацией и фильмом.

      На фотографии обратите внимание, что катушка слева имеет меньшее количество катушек чем справа (на вставках показаны крупные планы). Эскиз и схема показать повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, нужно только поставить источник справа, а нагрузку слева.( Важное примечание по технике безопасности : для настоящего трансформатора вы можете только ‘подключите его в обратном направлении’ только после проверки того, что напряжение рейтинг был соответствующим.) Итак, как работает трансформатор?

      Сердечник (заштрихован) имеет высокую магнитную проницаемость (т.е. материал формирует магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, из-за ориентации атомных диполей). Результат состоит в том, что поле сосредоточено внутри ядра, и силовых линий почти нет оставить ядро.Если следует, что магнитный поток φ через первичный и вторичный равны, как показано. Из закона Фарадея, ЭДС в каждом витке, будь то в первичной или вторичной обмотке, равна −dφ/dt. Если пренебречь сопротивлением и другие потери в трансформаторе, напряжение на клеммах равно э.д.с. Для витков первичной обмотки N p это дает

      Для N s витков вторичной обмотки это дает Разделение этих уравнений дает уравнение трансформатора где r — коэффициент поворота.Что с текущим? Если пренебречь потерями в трансформаторе (см. ниже раздел об эффективности), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковые фазовые соотношения в первичном и вторичном, то из закона сохранения энергии мы можем напишите в устойчивом состоянии:
        Питание на входе = питание на выходе,      так что

        V p I p = V s I s ,      откуда

        I s /I p = N p /N s = 1/р.

      Так что ничего даром не получишь: поднимешь напряжение, вы уменьшаете ток, по крайней мере, на тот же коэффициент. Обратите внимание, что в на фотографии катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, т.к. он рассчитан на меньший ток, чем с меньшим количеством витков.

      В некоторых случаях целью упражнения является уменьшение силы тока. В ЛЭП, например, мощность, теряемая при нагреве проводов из-за их ненулевого сопротивления пропорционально квадрат тока.Таким образом, это экономит много энергии для передачи электроэнергия от электростанции в город при очень высоком напряжении так что токи только скромные.

      Фотография разборного трансформатора, используемого для демонстрации

      Схема повышающей цепи
      Наконец, и снова предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь.в первичный контур:
        V p = V s /r       и

        I p = I s .r      так

        В р /I р = В с 2 I с = Р/р 2 .

      R/r 2 называется отраженным сопротивление . При условии, что частота не слишком высока, и при условии, что есть сопротивление нагрузки (условия, обычно соблюдаемые в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной обмотки намного меньше этого отраженного сопротивления, поэтому первичная цепь ведет себя так, как если бы источник управлял резистором значение Р/р 2 .Это позволяет использовать трансформаторы в качестве согласователей импеданса . Нагрузку с низким входным сопротивлением можно согласовать с цепью с высоким выходным сопротивлением с помощью понижающего трансформатора.
        Нас спросили: как уравнение трансформатора согласуется с законом Ома? Если вторичное напряжение вдвое больше первичного, почему вторичный ток не вдвое больше первичного? Во-первых, к резисторам можно применить только закон Ома, и если бы на первичной и вторичной сторонах был (только) резистор, то напряжение на обеих сторонах было бы равно нулю.Обычно первичная катушка подключается к источнику переменного тока, который не подчиняется закону Ома. Например, напряжение сети составляет 240 вольт, если ток равен нулю, и недалеко от 240 вольт, если ток равен 1 ампер.
      Эффективность трансформаторов
      На практике реальные трансформаторы меньше, чем 100% эффективность.
      • Во-первых, в катушках имеются резистивные потери (мощность потерь I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их сечение велико.Удельное сопротивление также можно уменьшить, используя медь высокой чистоты. (См. Скорость дрейфа и сопротивление Ома. закон.)
      • Во-вторых, в сердечнике есть потери на вихревые токи. Их можно уменьшить путем ламинирования сердцевины. Расслоения уменьшают площадь цепей в сердечнике, и так уменьшить фарадеевскую ЭДС, а значит и ток протекающий в сердечнике, и поэтому энергия при этом теряется.
      • В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Намагничивание и размагничивание кривые для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или зависимость от истории), а это означает, что энергия, необходимая для намагничивания сердечник (при увеличении тока) не полностью восстанавливается при размагничивании.Разница в энергии теряется в виде тепла в ядре.
      • Наконец, геометрический дизайн, а также материал сердечника могут оптимизирован для обеспечения того, чтобы магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки примерно такой же, как и в каждой обмотке первичной обмотки.
      Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока
      Трансформаторы работают только от переменного тока, что является одним из больших преимуществ переменного тока. Трансформеры позволяют снизить напряжение 240 В до удобного уровня для цифровой электроники (только несколько вольт) или для других маломощных приложений (обычно 12 В).Трансформеры повышайте напряжение для передачи, как указано выше, и понижайте для безопасного распределения.

      alexxlab

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован.