Трансформатор физика: Трансформатор — урок. Физика, 9 класс.

Трансформатор — урок. Физика, 9 класс.

В цепи переменного тока возможно изменять в широком диапазоне напряжение.

Достигается это посредством несложного устройства — трансформатора, созданного в \(1876\) году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым. 

Трансформатор — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника. Одна из катушек, называемая первичной, включается в сеть переменного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле первичной катушки — переменное и меняется с той же частотой, что и ток в первичной катушке. Переменный ток в первой катушке создаёт в стальном сердечнике переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает другую катушку, называемую вторичной, и создаёт в ней переменный индукционный ток.

 

 

Допустим, что первичная катушка имеет w1 витков, и по ней проходит переменный ток при напряжении U1. Вторичная обмотка имеет w2 витков, и в ней индуцируется переменный ток при напряжении U2.

Опыт показывает, что во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков на первичной катушке, во столько же раз напряжение на вторичной катушке больше (или меньше) напряжения на первичной катушке:

 

U2U1=w2w1=k.

Величина \(k\) называется коэффициентом трансформации. Коэффициент равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков во вторичной обмотке.

Во сколько раз увеличивается напряжение на вторичной обмотке трансформатора, примерно во столько же раз уменьшается в ней сила тока при работе нагруженного трансформатора.

В результате мощность тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора почти одинакова, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора близок к единице. КПД у мощных трансформаторов достигает \(99,5\) %.

 

Трансформатор,понижение, повышение переменного напряжения. Режимы работы, передача электроэнергии. Тесты онлайн, курсы по физике, подготовка к ЦТ

Тестирование онлайн

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

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 – Класс!ная физика

Трансформаторы

Подробности

Просмотров: 687

Трансформаторы – это просто!

«Физика – 11 класс»

Назначение трансформаторов

Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности.

Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.
Позднее эти устройства получили название трансфораторов.
Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками.
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.
Условное обозначение трансформатора на электрических схемах

Трансформатор на холостом ходу

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым

Майклом Фарадеем в 1831 году.
Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток.

При питании катушки от источника постоянного тока ток во второй катушке существует только в моменты изменения тока в первой катушке, а на практике – при замыкании и размыкании цепи первой катушки.
Для длительного существования тока необходио непрерывно изменять ток в первой катушке. А это возможно, если соединить ее с источником переменного напряжения. При синусоидальном характере тока в первой катушке ток во второй катушке будет также синусоидальным.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки.
Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково.
Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф’

где
Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N₁ витков, полная ЭДС индукции

e₁ = N₁e

Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции

e₂ = N₂e

где
N₂ — число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь.
В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС e₁ и e₂ изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль.

Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений

Отношение напряжений на обмотках при работе трансформатора на холостом ходу (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации – К.
Трансформаторы используются как для повышения напряжения, так и для понижения, т.е. могут быть повышающими и понижающими.
Если К>1, то трансформатор является понижающим,
если К, то трансформатор – повышающий.

Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, т.е. нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю.
Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока не произойдет, так как

Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке.
Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой.

При подключении нагрузки ко вторичной цепи КПД трансформатора близок к 100%.
Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

При повышении с помощью трансформатора напряжения в несколько раз, сила тока во столько же раз уменьшается (и наоборот).

Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках

Чтобы уменььшить нагревание сердечника, его собирают из отдельных стальных пластин, которые изолируются друг от друга бумагой, лаком или окисью металла сердечника.
В трансформаторах малой мощности применяют круглые тороидальные сердечники из стальных колец или стальной ленты.
Для повышения КПД в трансформаторах обмотки высокого и низкого напряжения располагают на одних и тех же стержнях.
В радиотехнике обмотки часто наматываются на средний стерженьь.

При работе трансформатора обмотки нагреваются, для их охлаждения мощные трансформаторы помещают даже в баки с жидким маслом (масляные трансформаторы).

Трансформаторы широко используют в радиоаппаратуре, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач, для этого строятся трансформаторные подстанции.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии — Трансформаторы — Производство, передача и использование электрической энергии

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.

Как работает трансформатор?

Используемая человеком электрическая энергия в основном вырабатывается на крупных электростанциях. Эти предприятия передают электричество на районные подстанции, которые затем распределяют его по потребителям.

Так как линии электропередач обладают электрическим сопротивлением, часть энергии электрического тока теряется, превращаясь в теплоту. Постоянный ток (DC) течет в одном направлении; переменный ток (АС) периодически изменяет свое направление. Первоначально для электроснабжения применялся только постоянный ток. По ряду причин передача и преобразование постоянного тока связаны со значительными трудностями, поэтому по соображениям безопасности электростанции передавали его под низким напряжением. Однако к тому времени, когда постоянный ток достигал потребителей, сопротивление съедало 45 процентов его энергии.

Выход был найден в передаче переменного тока высокого напряжения, которое может быть легко изменено при помощи трансформатора (рисунок внизу). Так как высоковольтным линиям требуется меньший ток для передачи одного и того же количества энергии, ее потери на преодоление сопротивления стали намного меньшими. Когда переменный ток покидает электростанцию, повышающие трансформаторы увеличивают его напряжение с 22 000 до 765 000 вольт, а перед поступлением в дома другие трансформаторы, понижающие, уменьшают его до ПО или 220 вольт.

Принцип действия трансформатора

Трансформаторы увеличивают или уменьшают напряжение переменного тока. Преобразуемый переменный ток проходит по первичной обмотке, охватывающей стальной сердечник (рисунок сверху). Периодически изменяющийся ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. При перемещении во вторичную обмотку это магнитное поле генерирует в ней переменный ток. Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, выходное напряжение будет выше, чем входное.

Потери энергии при протекании постоянного тока

Электрическая мощность (Р) вычисляется путем умножения силы тока (I) на напряжение (V), т.е. Р = I х V. Если напряжение возрастает, сила тока, необходимая для обеспечения заданной мощности, уменьшается. Низковольтная мощность постоянного тока требует большей силы тока, чем высоковольтная мощность переменного, чтобы передать одно и то же количество электроэнергии.

Переменный ток легко трансформируется

В отличие от постоянного, переменный ток периодически изменяет свое направление. Если переменный ток проходит по первичной обмотке трансформатора (рисунок слева), образующееся переменное магнитное поле индуцирует ток во вторичной обмотке. При протекании по первичной обмотке постоянного тока (рисунок справа), во вторичной обмотке ток не возникает.

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?

История трансформатора – Энергетика и промышленность России – № 12 (128) июнь 2009 года – WWW.EPRUSSIA.RU

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 12 (128) июнь 2009 года

Речь идет о трансформаторе, преобразующем высокие напряжения в низкие (и наоборот) почти без потерь энергии.

Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, размером в несколько миллиметров, так и гиганты массой более 500 тонн.

Создание в конце XIX века трансформатора было революционным для молодой тогда электротехники, занимавшейся в основном вопросами электрического освещения. На рубеже веков электроэнергетические системы переменного тока стали уже общепринятыми, и трансформатор получил ключевую роль в передаче и распределении электроэнергии.

Открытие Фарадея

Явление, лежащее в основе действия электрического трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем.

В своих экспериментах Фарадей опирался на опыты датского физика Х. К. Эрстеда, который в 1820 году установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. До этого электричество и магнетизм считались проявлениями совершенно различных и независимых друг от друга сил. И уж если электрический ток мог порождать магнитное поле, то казалось вероятным, что и магнитное поле, в свою очередь, могло порождать электрический ток.

В 1831 году Фарадей доказал, что для порождения магнитным полем тока в проводнике необходимо, чтобы поле было переменным. Он изменял напряженность магнитного поля, замыкая и прерывая электрическую цепь, порождающую поле. Тот же эффект достигается, если воспользоваться переменным током, то есть током, направление которого меняется со временем. Это явление взаимодействия между электрическими и магнитными силами получило название электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора

В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной.

Индукция между первичной и вторичной обмотками взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке.

На явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора. Для эффективной работы этого устройства необходимо, чтобы между его обмотками существовала связь и каждая из них обладала высокой самоиндукцией. Этим условиям можно удовлетворить, намотав первичную и вторичную обмотки на железный сердечник так, как это сделал Фарадей в своих первых экспериментах.

Железо увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз (о материалах, обладающих таким свойством, говорят, что они имеют высокую магнитную проницаемость). Кроме того, железный сердечник локализует поток магнитной индукции, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.

Фарадей не стал детально исследовать открытое явление. Поэтому в течение нескольких десятилетий оно не нашло широкого практического применения.

Особый интерес представляли первые эксперименты с «индукторами», состоящими из провода, намотанного на железный сердечник, – в частности, изучение способности этих устройств порождать искры, когда ток в обмотке прерывался.

Среди известных ученых, занимавшихся этим явлением, был американец Джозеф Генри, первый секретарь и директор Смитсоновского института (его именем была названа единица индуктивности).

В этих экспериментах выяснилось, что токи, циркулирующие в сплошных металлических сердечниках, рассеивали энергию. Чтобы свести к минимуму эти так называемые вихревые токи, сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Теперь сердечники представляли собой «связку» изолированных железных проводов.

Первые трансформаторы и электрическое освещение

После того как в 1860‑х была изобретена динамо-машина – генератор электроэнергии, также основанный на открытиях Фарадея, – появилась возможность использовать переменный ток.

Первый, кто подсоединил трансформатор к источнику переменного тока, был Уильям Гроув, которому для его лабораторных опытов понадобился источник высокого напряжения. Но этот опыт оставался незамеченным до тех пор, пока Томас Альва Эдисон не начал работать над осуществлением идеи электрического освещения в 1880‑х.

К этому времени уже существовали электрические лампы с платиновыми нитями накала и лампы на основе электрической дуги, или дугового разряда между двумя электродами. Лампы обоих типов работали неплохо, однако их электрические характеристики накладывали некоторые ограничения на способы их включения в электрическую цепь. В частности, все лампы подключались последовательно, подобно елочным гирляндам, поэтому они загорались и гасли одновременно.

Хотя такой способ был приемлем, например, для уличного освещения, невозможность включать и выключать отдельные лампы в произвольные моменты времени, а также высокое напряжение, необходимое при последовательном соединении большого числа осветительных приборов, препятствовали его применению в жилых домах и на небольших предприятиях.

Способ же параллельного соединения, в котором каждая лампа работает в своей собственной цепи, требовал слишком толстых медных проводов для подведения достаточно сильного тока к лампам, имевшим в то время относительно низкое сопротивление.

Изобретение Голара

Приблизительно в то же время трансформаторы были впервые применены в системах электрического освещения в Англии. Французский изобретатель Люсьен Х. Голар и английский промышленник Джон Д. Гиббс воспользовались трансформаторами для подсоединения ламп накаливания к осветительной системе на дуговых лампах. Поскольку дуговые лампы соединялись последовательно, первичные обмотки трансформаторов находились в последовательном соединении с дуговыми лампами.

В 1882 году Голар и Гиббс получили патент на свое устройство, названное ими вторичным генератором. Его работу они продемонстрировали в 1883 году в Англии, а в 1884 году – в Италии. Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.

Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера из будапештской фирмы Ganz and Company. Они присутствовали при демонстрации действия вторичного генератора в Италии и пришли к выводу, что последовательное соединение имеет серьезные недостатки.

По возвращении в Будапешт Макс Дери, Отто Т. Блажи и Карл Циперовски сконструировали и изготовили несколько трансформаторов для систем параллельного соединения с генератором.

Их трансформаторы (с замкнутыми железными сердечниками, которые значительно лучше подходили для параллельного соединения, чем «связки» железных проводов с открытыми концами) были двух типов. В первом типе провод наматывался на тороидальный сердечник, во втором, наоборот, железные провода сердечника наматывались вокруг тороидальной «связки» проводников.

В системах передачи электроэнергии

Многие специалисты искали способы передачи электроэнергии при более высоком напряжении по сравнению с тем, которое требовалось в потребляющих устройствах.

В 1884 году Вестингауз нанял молодого инженера Уильяма Стэнли, у которого возникла идея воспользоваться трансформатором для решения проблемы передачи электроэнергии. Узнав о работе Голара и Гиббса, он посоветовал Вестингаузу приобрести патенты на трансформатор.

Стэнли был убежден в преимуществах параллельных схем соединения, и к началу лета 1885 года им уже было создано несколько трансформаторов с сердечниками замкнутой формы.

Вскоре в связи с ухудшившимся состоянием здоровья Стэнли вынужден был уехать вместе со своей лабораторией из промышленного задымленного Питтсбурга. С одобрения Вестингауза он переселился в Грейт-Бэррингтон, шт. Массачусетс, где продолжал работать над трансформаторами.

Тем временем Вестингауз, еще не до конца убежденный в эффективности параллельного соединения, экспериментировал с различными комбинациями вторичных генераторов Голара и Гиббса вместе с другим пионером в области электротехники – Оливером Б. Шелленбергером.

Трансформаторы Стэнли – Вестингауза

К декабрю 1885 года успехи, достигнутые Стэнли, наконец убедили Вестингауза, и он, вместе с Шелленбергом и еще одним блестящим инженером – Альбертом Шмидом, приступил к усовершенствованию трансформатора Стэнли, с тем чтобы он (в отличие от венгерского торроидального устройства) стал простым и дешевым в производстве.

Сначала сердечник изготовлялся из тонких железных пластин в форме буквы «Н». Обмотки из изолированной медной проволоки наматывались на горизонтальную часть сердечника, свободные концы которого замыкались дополнительными слоями железных полосок.

Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора применяется и в наши дни.

Путь к современным трансформаторам

В начале 1900‑х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провел серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

А следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 1930‑х, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 процентов, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала пятикратно.

Усовершенствование трансформаторов и схем электропитания радиоэлектронных устройств, основанных на их применении, продолжается и по сей день.

Но об этом – в следующий раз.

Объясняя принцип работы трансформатора

Энергия, передаваемая при работе

Электричество и магнетизм

Объясняя принцип работы трансформатора

Учебное руководство для 14–16

Когда электрический ток проходит через длинную полую катушку с проволокой, внутри катушки возникает сильное магнитное поле, а снаружи – более слабое.Линии рисунка магнитного поля проходят через катушку, расходятся от конца и огибают снаружи и внутрь на другом конце.

Это не настоящие линии, как те, которые вы рисуете карандашом. Это линии, которые мы представляем себе, как на рисунке, чтобы показать картину магнитного поля: направление, в котором образец железа будет намагничен полем. Там, где поле наиболее сильное, очереди наиболее тесно переполнены.

В полой катушке линии образуют сплошные кольца.Если в катушке есть железный сердечник, он намагничивается и, кажется, делает поле намного сильнее, пока есть ток.

Железный сердечник трансформатора обычно представляет собой законченное кольцо с двумя намотанными на него катушками. Одна подключена к источнику электроэнергии и называется первичной обмоткой ; другой подает питание на нагрузку и называется вторичной обмоткой . Намагничивание из-за тока в первичной катушке проходит по всему кольцу.Первичная и вторичная катушки могут быть намотаны в любом месте кольца, потому что железо переносит изменения намагниченности от одной катушки к другой. Между двумя катушками нет электрического соединения. Однако они связаны магнитным полем в железном сердечнике.

Когда в первичной обмотке имеется устойчивый ток, во вторичной обмотке нет эффекта, но есть эффект во вторичной обмотке, если ток в первичной обмотке изменяется. Изменяющийся ток в первичной обмотке вызывает e.м.ф. во вторичном. Если вторичная обмотка подключена к цепи, то есть ток.

Понижающий трансформатор на 1200 витков на первичной обмотке, подключенный к 240 В переменного тока. будет производить 2 В переменного тока. через 10-витковую вторичную обмотку (при минимальных потерях энергии) и зажгите лампу на 2 В.

Повышающий трансформатор на 1000 витков на первичной обмотке, питаемый от 200 В переменного тока. а вторичная обмотка на 10000 витков даст напряжение 2000 В переменного тока.

Железный сердечник сам по себе является грубой вторичной обмоткой (например, однооборотной катушкой), и изменения первичного тока вызывают небольшие круговые напряжения в сердечнике.Железо является проводником, и если бы железный сердечник был твердым, индуцированные напряжения вызывали бы в нем неэффективные вторичные токи (называемые вихревыми токами ). Таким образом, сердечник сделан из очень тонких листов, скрепленных вместе, причем поверхность каждого листа покрыта, чтобы сделать его плохим проводником. Края листов можно увидеть, посмотрев на края сердечника трансформатора.

15.7: Трансформаторы – Физика LibreTexts

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Объясните, почему электростанции передают электроэнергию при высоком напряжении и малом токе и как они это делают.
• Разработать взаимосвязь между током, напряжением и количеством обмоток в повышающих и понижающих трансформаторах

Хотя электроэнергия переменного тока вырабатывается при относительно низком напряжении, она передается по линиям передачи с очень высоким напряжением (до 500 кВ).2R \) омические потери в линиях передачи, которые могут быть значительными в линиях протяженностью много километров (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Действующее значение напряжения электростанции в конечном итоге необходимо понизить с 12 кВ до 240 В, чтобы его можно было безопасно ввести в дом. Линия передачи высокого напряжения позволяет передавать слабый ток через подстанцию ​​на большие расстояния.

Обычно переменные ЭДС, производимые на электростанциях, «повышаются» до очень высоких напряжений перед передачей по линиям электропередачи; затем они должны быть «понижены» до относительно безопасных значений (110 или 220 В, действующее значение), прежде чем они будут введены в дома.Устройство, которое преобразует напряжения из одного значения в другое с помощью индукции, – это трансформатор (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).

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

Как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), трансформатор в основном состоит из двух отдельных катушек или обмоток, намотанных вокруг сердечника из мягкого железа. Первичная обмотка имеет \ (N_p \) петли или витки 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. Мы также пренебрегаем потерями энергии на магнитный гистерезис, на омический нагрев в обмотках и на омический нагрев индуцированных вихревых токов в сердечнике. У хорошего трансформатора потери могут составлять всего 1% от передаваемой мощности, так что это неплохое предположение.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): повышающий трансформатор (во вторичной обмотке больше витков, 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, индуцированной на первичной обмотке. Согласно закону Фарадея индуцированная 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}. \ nonumber \]

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

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

Объединяя последние два уравнения, получаем

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

Следовательно, при соответствующих значениях для \ (N_s \) и \ (N_p \) входное напряжение \ (v_p (t) \) может быть «повышено» \ ((N_s> N_p) \) или «понижено» \ ((N_s : ,

.

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

, который показывает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их обмотках.Для повышающего трансформатора , который увеличивает напряжение и уменьшает ток, это отношение больше единицы; для понижающего трансформатора , который снижает напряжение и увеличивает ток, это отношение меньше единицы.

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

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

В сочетании с уравнением \ ref {transformerEQ} это дает

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

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 трансформатор

Трансформатор на опоре электросети снижает среднеквадратичное значение напряжения с 12 кВ до 240 В.

1. Каково отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки?
2. Если входной ток трансформатора равен 2.0 А какой выходной ток?
3. Определите потери мощности в линии передачи, если общее сопротивление линии передачи равно \ (200 \, \ Omega \).
4. Каковы были бы потери мощности, если бы линия передачи имела напряжение 240 В по всей длине линии, а не обеспечивала напряжение 12 кВ? Что это говорит о линиях электропередачи?

Стратегия

Число витков, связанных с напряжениями, определяется из уравнения \ ref {15.3 V} = \ dfrac {1} {50}, \], поэтому количество витков первичной обмотки в 50 раз превышает количество витков вторичной обмотки. 2R = (2.6 \, W. \ nonumber \]

Следовательно, когда необходимо передать мощность, мы хотим избежать потери мощности. Таким образом, линии передаются с высоким напряжением и малым током и регулируются с помощью трансформатора до того, как энергия будет подаваться в дома.

Значение

Это применение понижающего трансформатора позволяет дому, в котором используются розетки на 240 В, иметь ток 100 А. Это может питать многие устройства в доме.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Трансформатор понижает линейное напряжение с 110 до 9.0 В, чтобы на дверной звонок можно было подавать ток 0,50 А.

1. Каково соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток?
2. Какой ток в первичной обмотке?
3. Какое сопротивление видит источник 110 В?

Ответьте на

12: 1

Ответ б

0,042 А

Ответ c

\ (2.3 \, \ Omega \)

Авторы и ссылки

• Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

Трансформаторов – Университетская физика, Том 2

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Объясните, почему электростанции передают электроэнергию при высоком напряжении и малом токе и как они это делают.
• Разработать взаимосвязь между током, напряжением и количеством обмоток в повышающих и понижающих трансформаторах

Хотя электроэнергия переменного тока вырабатывается при относительно низком напряжении, она передается по линиям передачи с очень высоким напряжением (до 500 кВ).Одна и та же мощность может передаваться при разных напряжениях, потому что мощность – это продукт (для простоты мы игнорируем фазовый коэффициент. Таким образом, конкретная потребность в мощности может быть удовлетворена при низком напряжении и высоком токе или при высоком напряжении и низком токе. Преимущество выбора высокого напряжения / низкого тока заключается в том, что он приводит к более низким омическим потерям в линиях передачи, которые могут быть значительными в линиях протяженностью много километров ((Рисунок)).

Среднеквадратичное значение напряжения электростанции в конечном итоге необходимо понизить с 12 кВ до 240 В, чтобы его можно было безопасно ввести в дом.Линия передачи высокого напряжения позволяет передавать слабый ток через подстанцию ​​на большие расстояния.

Обычно переменные ЭДС, производимые на электростанциях, «повышаются» до очень высоких напряжений перед передачей по линиям электропередачи; затем они должны быть «понижены» до относительно безопасных значений (110 или 220 В, действующее значение), прежде чем они будут введены в дома. Устройство, которое преобразует напряжение из одного значения в другое с помощью индукции, – это трансформатор ((рисунок)).

Трансформаторы используются для понижения высокого напряжения в линиях электропередачи до 110–220 В, используемых в домах. (кредит: модификация работы «Fortyseven» / Flickr)

Как показано на рисунке, трансформатор в основном состоит из двух отдельных катушек или обмоток, намотанных вокруг сердечника из мягкого железа. Первичная обмотка имеет петли или витки и подключена к переменному напряжению. Вторичная обмотка имеет витки и подключена к нагрузочному резистору. Мы предполагаем идеальный случай, когда все силовые линии магнитного поля ограничены сердечником, так что одинаковый магнитный поток проникает в каждый виток как первичной, так и вторичной обмоток.Мы также пренебрегаем потерями энергии на магнитный гистерезис, на омический нагрев в обмотках и на омический нагрев индуцированных вихревых токов в сердечнике. У хорошего трансформатора потери могут составлять всего 1% от передаваемой мощности, так что это неплохое предположение.

Повышающий трансформатор (во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной). Две обмотки намотаны на сердечник из мягкого железа.

Для анализа схемы трансформатора сначала рассмотрим первичную обмотку.Входное напряжение равно разности потенциалов, индуцированной на первичной обмотке. Согласно закону Фарадея, индуцированная разность потенциалов равна потоку, проходящему через один виток первичной обмотки. Таким образом,

Точно так же выходное напряжение, подаваемое на нагрузочный резистор, должно равняться разности потенциалов, индуцированной во вторичной обмотке. Поскольку трансформатор идеален, магнитный поток через каждый виток вторичной обмотки также составляет

Объединяя последние два уравнения, получаем

Следовательно, при соответствующих значениях входного напряжения можно «повышать» или «понижать» () до выходного напряжения.Это часто сокращенно называют уравнением трансформатора,

.

, который показывает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их обмотках. Для повышающего трансформатора, который увеличивает напряжение и уменьшает ток, это отношение больше единицы; для понижающего трансформатора, который снижает напряжение и увеличивает ток, это отношение меньше единицы.

Согласно закону сохранения энергии, мощность, вводимая в первичную обмотку в любой момент, должна быть равна мощности, рассеиваемой в резисторе вторичной цепи; таким образом,

В сочетании с (Рисунок) это дает

Если напряжение повышается, ток понижается, и наоборот.

Наконец, мы можем использовать вместе с (Рисунок) и (Рисунок), чтобы получить

, который говорит нам, что входное напряжение «видит» не сопротивление, а скорее сопротивление.

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

Проверьте свое понимание Трансформатор понижает линейное напряжение с 110 до 9.0 В, чтобы на дверной звонок можно было подавать ток 0,50 А. а) Каково соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток? б) Какой ток в первичной обмотке? (c) Какое сопротивление видит источник 110 В?

а. 12: 1; б. 0,042 А; c.

Сводка

• Электростанции передают высокое напряжение при малых токах для достижения более низких омических потерь в многокилометровых линиях передачи.
• Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
• Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной катушках или обмотках связаны уравнением трансформатора.
• Токи в первичной и вторичной обмотках связаны количеством первичных и вторичных петель или витков в обмотках трансформатора.
• Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и снижает ток, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

Почему линии передачи работают при очень высоком напряжении, в то время как бытовые цепи работают при довольно низком напряжении?

Тепловые потери меньше, если линии передачи работают при низких токах и высоких напряжениях.

Как отличить первичную обмотку от вторичной в повышающем трансформаторе?

Аккумуляторы в некоторых электронных устройствах заряжаются с помощью адаптера, подключенного к сетевой розетке. Подумайте о назначении адаптера.

В адаптере есть понижающий трансформатор, обеспечивающий более низкое напряжение и, возможно, более высокий ток, при котором устройство может работать.

Будет ли трансформатор работать, если на входе постоянное напряжение?

Почему первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны на один и тот же замкнутый железный контур?

, поэтому каждый контур может испытывать одинаковое изменение магнитного потока

Проблемы

Повышающий трансформатор спроектирован так, что выход его вторичной обмотки составляет 2000 В (действующее значение), когда первичная обмотка подключена к линейному напряжению 110 В (среднеквадратичное значение).(а) Если в первичной обмотке 100 витков, сколько витков во вторичной обмотке? (b) Если резистор, подключенный ко вторичной обмотке, потребляет действующий ток 0,75 А, каков ток в первичной обмотке?

Повышающий трансформатор, подключенный к линии 110 В, используется для питания водородно-газовой газоразрядной трубки с напряжением 5,0 кВ (действующее значение). Трубка рассеивает мощность 75 Вт. (а) Каково отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки? (b) Каковы среднеквадратичные токи в первичной и вторичной обмотках? (c) Какое эффективное сопротивление видит источник 110 В?

а.45: 1; б. 0,68 А, 0,015 А; c.

Источник ЭДС переменного тока выдает мощность 5,0 мВт при действующем токе 2,0 мА, когда он подключен к первичной обмотке трансформатора. Среднеквадратичное значение напряжения на вторичной обмотке составляет 20 В. (a) Какое напряжение на первичной обмотке и ток через вторичную обмотку? (б) Какое отношение витков вторичной обмотки к первичной у трансформатора?

Трансформатор используется для понижения напряжения 110 В от настенной розетки до 9,0 В для радио. (а) Если у первичной обмотки 500 витков, сколько витков у вторичной обмотки? (b) Если радиостанция работает при токе 500 мА, каков ток через первичную обмотку?

Трансформатор используется для питания поезда модели на 12 В от сетевой розетки на 110 В.Поезд работает при мощности 50 Вт. (а) Какое среднеквадратичное значение тока во вторичной обмотке трансформатора? (б) Каков среднеквадратичный ток в первичной обмотке? (c) Каково соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток? (г) Какое сопротивление поезда? (e) Какое сопротивление видит источник 110 В?

Дополнительные проблемы

Конденсатор емкостью 700 пФ подключен к источнику переменного тока с амплитудой напряжения 160 В и частотой 20 кГц. (а) Определите емкостное сопротивление конденсатора и амплитуду выходного тока источника.(b) Если частота изменяется на 60 Гц при сохранении амплитуды напряжения 160 В, каковы емкостное реактивное сопротивление и амплитуда тока?

Катушка индуктивности 20 мГн подключена к источнику переменного тока с переменной частотой и амплитудой постоянного напряжения 9,0 В. (a) Определите реактивное сопротивление цепи и максимальный ток через катушку индуктивности, когда частота установлена ​​на 20 кГц. . (b) Проделайте те же вычисления для частоты 60 Гц.

а. ; б.

Конденсатор подключен к источнику переменного тока частотой 60 Гц с амплитудой напряжения 50 В.а) Каков максимальный заряд конденсатора? (б) Каков максимальный ток в конденсаторе? (c) Каково соотношение фаз между зарядом конденсатора и током в цепи?

Катушка индуктивности 7,0 мГн подключена к источнику переменного тока частотой 60 Гц, амплитуда напряжения которого составляет 50 В. (a) Каков максимальный ток через индуктор? (b) Каково соотношение фаз между текущим током и разностью потенциалов на катушке индуктивности?

а. 19 А; б. индуктор выводов по

Каков импеданс последовательной цепи RLC на резонансной частоте?

Какое сопротивление R в схеме, показанной ниже, если амплитуда переменного тока через катушку индуктивности равна 4.24 А?

Источник переменного тока с амплитудой напряжения 100 В и частотой 1,0 кГц управляет последовательной цепью RLC с, и. (а) Определите среднеквадратичное значение тока в цепи. (б) Каковы среднеквадратичные значения напряжения на трех элементах? (c) Каков фазовый угол между ЭДС и током? (d) Какова выходная мощность источника? (e) Какая мощность рассеивается на резисторе?

Генератор электростанции вырабатывает 100 А при 15 кВ (действующее значение).Трансформатор используется для повышения напряжения в линии передачи до 150 кВ (действующее значение). (а) Какой действующий ток в линии передачи? (b) Если сопротивление на единицу длины линии равно потерям мощности на метр в линии? (c) Каковы были бы потери мощности на метр, если бы линейное напряжение составляло 15 кВ (действующее значение)?

Рассмотрим электростанцию, расположенную в 25 км от города, поставляющую в город 50 МВт электроэнергии. Линии электропередачи выполнены из алюминиевых кабелей с поперечным сечением.Найдите потерю мощности в линиях передачи, если она передается при (a) 200 кВ (среднеквадратичное значение) и (b) 120 В (среднеквадратичное значение).

а. ; б.

Для работы неоновых вывесок требуется напряжение 12 кВ. Трансформатор используется для изменения напряжения с 220 В (среднеквадратичное) переменного тока на 12 кВ (среднеквадратичное) переменного тока. Какое должно быть соотношение витков вторичной обмотки к виткам первичной обмотки? (b) Какой максимальный среднеквадратичный ток могут потреблять неоновые лампы, если предохранитель в первичной обмотке сработает при 0,5 А? (c) Сколько энергии потребляет неоновая вывеска, когда она потребляет максимальный ток, разрешенный предохранителем в первичной обмотке?

Задачи вызова

Электроэнергия переменного тока напряжением 335 кВ от ЛЭП подается в первичную обмотку трансформатора.Отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки составляет. (а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

а. 335 МВ; б. результат получается слишком высоким, намного превышающим напряжение пробоя воздуха на разумных расстояниях; c. входное напряжение слишком высокое

Резистор и катушка индуктивности 30 мГн подключены последовательно, как показано ниже, к источнику переменного тока напряжением 120 В (среднеквадратичное значение), колеблющемуся с частотой 60 Гц.(а) Найдите ток в цепи. (б) Найдите падение напряжения на резисторе и катушке индуктивности. (c) Найдите полное сопротивление цепи. (d) Найдите мощность, рассеиваемую на резисторе. (e) Найдите мощность, рассеиваемую в катушке индуктивности. (f) Найдите мощность, производимую источником.

Найдите реактивные сопротивления следующих конденсаторов и катушек индуктивности в цепях переменного тока с заданными частотами в каждом случае: (а) индуктивность 2 мГн с частотой цепи переменного тока 60 Гц; (б) индуктор 2 мГн с частотой 600 Гц цепи переменного тока; (c) индуктор 20 мГн с частотой цепи переменного тока 6 Гц; d) индуктор на 20 мГн с частотой переменного тока 60 Гц; д) конденсатор емкостью 2 мФ с частотой цепи переменного тока 60 Гц; и (е) конденсатор емкостью 2 мФ с частотой 600 Гц цепи переменного тока.

Выходной импеданс аудиоусилителя имеет импеданс, равный и не соответствует низкоомному громкоговорителю. Вас попросят вставить соответствующий трансформатор, соответствующий импедансу. Какое передаточное число вы будете использовать и почему? Используйте упрощенную схему, показанную ниже.

Покажите, что единицей СИ для емкостного реактивного сопротивления является ом. Покажите, что единицей СИ для индуктивного сопротивления также является ом.

Единицы измерения индуктивного реактивного сопротивления (рисунок) указаны ниже.Радианы можно игнорировать при модульном анализе. Генри можно определить как. Их объединение дает единицу реактивного сопротивления.

Катушка с самоиндуктивностью 16 мГн и сопротивлением 100% подключена к источнику переменного тока, частоту которого можно изменять. На какой частоте напряжение на катушке будет вести ток через катушку на

?

Последовательная цепь RLC состоит из резистора, конденсатора и катушки индуктивности 120 мГн, сопротивление катушки которойИсточник для схемы имеет среднеквадратичное значение ЭДС 240 В на частоте 60 Гц. Рассчитайте среднеквадратичные значения напряжения на резисторе (а), конденсаторе (б) и катушке индуктивности (в).

а. 156 В; б. 42 В; c. 154 В

Последовательная цепь RLC состоит из резистора, конденсатора и катушки индуктивности 50 мГн. Источник переменной частоты 110 В (среднеквадратичное значение) подключен к комбинации. Какова выходная мощность источника, если его частота установлена ​​на половину резонансной частоты контура?

Глоссарий

трансформатор понижающий

трансформатор, понижающий напряжение и увеличивающий ток

повышающий трансформатор

трансформатор, повышающий напряжение и понижающий ток

трансформатор

устройство, которое преобразует напряжения из одного значения в другое с помощью индукции

уравнение трансформатора

Уравнение

, показывающее, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их обмотках

Трансформаторов – Передача энергии – Видео по физике от Brightstorm

Трансформаторы используются для преобразования одного тока в другой.2) R обогрев. В этом процессе необходимы повышающие трансформаторы для повышения напряжения с помощью переменного тока.

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

Когда мы пытаемся передать энергию по длинным линиям электропередачи, мы всегда терпим убытки.Мы страдаем от потери мощности из-за того, что называется нагревом I в квадрате, и это потому, что каждый провод, независимо от того, из чего мы его делаем, будет иметь некоторое сопротивление, вы знаете какое-то сопротивление, потому что этот материал имеет сопротивление, а это означает, что чем длиннее провод, тем больше сопротивление. больше сопротивления, поэтому, если у нас есть провод длиной 10 футов, никого не волнует. 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 небольшим, поэтому все, что нам нужно сделать, это просто передать мощность на действительно низкий ток, но мы пытались сделать это с постоянным током, у нас возникла серьезная проблема, потому что низкий ток означает, что у нас не очень много электронов, которые что-то делают, а с питанием постоянного тока это то, что вам нужно, вам нужно, чтобы электроны что-то делали, поэтому, если мы есть небольшой ток, в любом случае нет причин передавать мощность, потому что мощности не очень много, поэтому в качестве альтернативы мы можем сделать, используя переменный ток, так это мы можем увеличить напряжение.Что прекрасно в этом, так это то, что при использовании переменного тока и электромагнитной индукции, когда мы увеличиваем напряжение, мощность должна оставаться постоянной. Теперь мощность, которую мы передаем, представляет собой IV-ток, умноженный на разность потенциалов, которая должна оставаться постоянной, поэтому, если мы увеличим напряжение, скажем, в сто раз, то что должно произойти, чтобы I, умноженное на V, оставалось прежним, ну это означает, что мы должны снизить ток в сто раз. Теперь, когда мы отправляем это в линию передачи, теперь I понижен в сотню раз, это означает, что I в квадрате r уменьшился в 10 000 раз, так что это очень-очень-очень полезно, и в стандартных сообществах вы будете использовать шаг трансформатор, подобный этому, чтобы поднять напряжение от стандартного бытового напряжения, например, 120 вольт, до стандартного напряжения передачи 450 000 вольт, и вот как это работает.

Хорошо, давайте посмотрим и посмотрим, как устроен трансформатор. Основываясь на идее электромагнитной индукции, мы должны сделать кое-что, чтобы это стало возможным, поэтому вот что мы собираемся сделать, мы » у нас будет первичная обмотка, и у нас будет провод, и это то, что несет ток, и он хорошо наматывает железный сердечник, нам нужно использовать железо или другой мягкий ферромагнитный материал, он должен быть магнитным, но он также должен быть очень непостоянный по своему магнетизму, поэтому ему просто нужно прислушиваться к тому, что ему говорит внешнее магнитное поле, постоянный магнит не будет работать как сердечник трансформатора, поэтому давайте посмотрим, почему.Хорошо, у нас есть этот входящий ток, мы оборачиваем его вокруг части железного сердечника в несколько раз больше, чем я собираюсь вызвать n sub p для количества витков первичной обмотки, хорошо? А потом отправляем. Теперь этот ток должен пройти, и поскольку это ток, он будет генерировать 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 с магнитным полем, которое первичный элемент просит его использовать, и посмотрите, что происходит.Здесь есть магнитное поле, пронизывающее вторичную часть цепи. Теперь просто оставив 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 сделать это, изменив ток, идущий в первичную обмотку, и мы Мы собираемся сделать это, используя переменный ток, поэтому мы собираемся изменять его 60 раз в секунду, теперь это меняет это магнитное поле, тем самым изменяя это магнитное поле и изменяя поток этого магнитного поля через эту часть цепи.

Итак, посредством электромагнитной индукции он генерирует ток здесь, поэтому у нас был ток, который меняет этот ток, изменяет магнитное поле, циркулирующее через железный сердечник, а затем это изменяет магнитный поток, проходящий здесь, а затем через Фарадея – Ленц, который генерирует ток здесь, и об этом немного подумать, но в этом есть смысл, вы знаете, что требуется минута, чтобы действительно вникнуть во все, что вы знаете, магнитное поле, проходящее здесь, что бы там ни было, но в конечном итоге так разность потенциалов между этими двумя частями провода пропорциональна количеству витков провода, которое у нас есть, и это означает, что отношение вторичного потенциала к первичному потенциалу равно отношению количества витков, и это геометрический факт, как много раз вы переворачивали его через вторичную сторону до количества витков на первичной стороне.Таким образом, это означает, что если я наматываю только один раз, а здесь на вторичной стороне я наматываю сто раз, то напряжение здесь, на вторичной стороне, будет в сто раз больше, чем напряжение здесь, на первичной стороне, и Значит, сила тока будет в сотни раз меньше. И поэтому это называется повышающим трансформатором, потому что он увеличивает мое напряжение в данном случае на четыре трети. Я передам свою силу, сколько сотен миль мне нужно от электростанции к домам, а затем у домов я бегу этого парня назад, наступая на него, и я готов идти.И снова одно из чудес мощности переменного тока, которое мы не могли получить от старой системы постоянного тока, – это трансформаторы и передача энергии.

Трансформеры из Physclips: Механика с анимацией и фильмом.

Обратите внимание на то, что на фото катушка слева имеет меньшее количество витков. чем справа (на вставках – крупные планы). Эскиз и схема показать повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, нужно достаточно разместить источник справа, а нагрузку слева.( Важное примечание по технике безопасности : для настоящего трансформатора вы можете только подключите его обратной стороной только после проверки того, что напряжение рейтинг был соответствующий.) Итак, как работает трансформатор? Сердечник (заштрихованный) имеет высокую магнитную проницаемость (т.е. материал который формирует магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, из-за ориентации атомных диполей). В результате 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 на каждом витке, в первичной или вторичной катушке, равна -dφ / dt. Если мы пренебрегаем сопротивлением и другие потери в трансформаторе, напряжение на зажимах равно ЭДС. Для N p витка первичной обмотки это дает Для N с витками вторичной обмотки это дает Разделение этих уравнений дает уравнение преобразователя где r – коэффициент поворотов.А что с током? Если пренебречь потерями в трансформаторе (см. ниже раздел об эффективности), и если мы Предположим, что напряжение и ток имеют одинаковое фазовое соотношение. в первичном и вторичном, то из сохранения энергии мы можем напишите, в устойчивом состоянии: Power in = power out, поэтому V p I p = V s I s , откуда I s / I p = N p / N s = 1 / r. Так что ничего не получишь даром: если увеличить напряжение, вы уменьшаете ток, по крайней мере, в такой же раз. Обратите внимание, что в на фотографии катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что он спроектирован так, чтобы пропускать меньший ток, чем тот, у которого меньше витков. В некоторых случаях целью упражнения является уменьшение силы тока. Например, в линиях электропередачи потери мощности при нагреве провода из-за их ненулевого сопротивления пропорциональны квадрат тока.Таким образом экономится много энергии для передачи электроэнергия от электростанции в город при очень высоких напряжениях 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 V p / I p = V s / r 2 I s = Р / р 2 . R / r 2 называется отраженным сопротивление . При условии, что частота не слишком высока, и при условии, что есть сопротивление нагрузки (условия, которые обычно встречаются в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной обмотки намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя так, как если бы источник управлял резистором значение R / r 2 .Это позволяет использовать трансформаторы в качестве согласователей импеданса . Нагрузку с низким входным сопротивлением можно согласовать со схемой с высоким выходным сопротивлением с помощью понижающего трансформатора. Нас спросили: как уравнение трансформатора согласуется с законом Ома? Если вторичное напряжение в два раза больше первичного, почему вторичный ток не вдвое больше первичного? Во-первых, можно применить закон Ома только к резисторам, и, если бы резистор был (только) на первичной и вторичной сторонах, то напряжение на обеих сторонах было бы нулевым.Обычно первичная обмотка подключается к источнику переменного тока, который не подчиняется закону Ома. Например, напряжение в сети составляет 240 вольт, если ток равен нулю, и недалеко от 240 вольт, если ток равен 1 ампер. КПД трансформаторов На практике реальные трансформаторы меньше 100% эффективность. Во-первых, это резистивные потери в катушках (потеря мощности I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их поперечное сечение большое.Удельное сопротивление также можно сделать низким, используя медь высокой чистоты. (См. Скорость дрейфа и Ом закон.) Во-вторых, в сердечнике наблюдаются потери на вихревые токи. Их можно уменьшить путем ламинирования сердечника. Ламинирование уменьшает площадь цепей в сердечнике, и таким образом уменьшить ЭДС Фарадея, и, таким образом, ток, протекающий в сердечнике, и таким образом, энергия теряется. В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Намагничивание и размагничивание кривые для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или зависимости от истории), а это означает, что энергия, необходимая для намагничивания сердечник (при увеличении тока) не полностью восстанавливается во время размагничивания.Разница в энергии теряется в сердечнике в виде тепла. Наконец, геометрический дизайн, а также материал сердечника могут быть оптимизирован для обеспечения того, чтобы магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки почти такой же, как и в каждой катушке 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 понижать 240 В до уровня, удобного для цифровой электроники (только несколько вольт) или для других приложений с низким энергопотреблением (обычно 12 В).Трансформеры повышайте напряжение для передачи, как упомянуто выше, и понижайте для безопасного распределения. Без трансформаторов трата электроэнергии в распределительных сетях уже высокий, был бы огромным. Возможно преобразование напряжения в постоянный ток, но посложнее чем с AC. Кроме того, такие преобразования часто неэффективны и / или дороги. Дополнительным преимуществом переменного тока является то, что его можно использовать в двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для приложений большой мощности.

SPM Physics Форма 4 / Форма 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 термины

1. Трансформатор состоит из 3 частей, а именно

1. Первичная цепь
2. Ядро
3. Вторичный контур

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

Сердечник:
Сердечник – это ферромагнитный металл, намотанный первичной и вторичной обмотками. Функция сердечника заключается в передаче изменяющегося магнитного потока от первичной катушки ко вторичной катушке.

Вторичная цепь:
Вторичная цепь – это цепь, которая подключена 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 обмотки и вторичной обмотки, намотанных на сердечнике из мягкого железа.
2. Когда в первичной катушке протекает переменный ток, вокруг первичной катушки создается изменяющийся магнитный поток.
3. Изменяющийся магнитный поток передается вторичной катушке через железный сердечник.
4. Изменяющийся магнитный поток отсекается вторичной обмоткой, что приводит к возникновению ЭДС.во вторичной обмотке.
5. Величина выходного напряжения может контролироваться соотношением количества первичной обмотки и вторичной обмотки.

Типы тока в трансформаторе

1. Ток в первичной цепи должен быть переменным, поскольку переменный ток может создавать изменяющийся магнитный поток. Для наведения ЭДС необходим изменяющийся магнитный поток. во вторичной обмотке.
2. Наведенный ток во вторичной обмотке также является переменным током.Частота переменного тока во вторичной обмотке такая же, как частота первичного тока.
3. Переменный ток во вторичной цепи можно преобразовать в постоянный ток с помощью пары диодов.

На рисунке слева изображен символ трансформатора. Две линии между катушками обозначают сердечник. Physics Animation
Applet
Transformer – Molecular Expression
Transformer – ngsir.netfirms.com
Электромагнитная колебательная цепь – Walter Fendt

Рекомендуемые видео

Как работают трансформаторы

Трансформер Анимация

External Link
Трансформатор – физика.kenyon.edu

GCSE PHYSICS – Что такое трансформатор? – Как работает повышающий трансформатор?

GCSE PHYSICS – Что такое трансформатор? – Как работает повышающий трансформатор? – ОБУЧЕНИЕ НАУКА.

gcsescience.com 23 gcsescience.com

Электромагнетизм

Что такое трансформатор?

Трансформатор состоит из двух катушек, один на
каждая сторона мягкого железа основной.Он может увеличивать напряжение
(так называемый повышающий трансформатор, показано ниже)
или уменьшите напряжение (так называемый понижающий трансформатор).

Как сделать шаг вперед Трансформатор работает?

Переменный ток пропускается через первичная обмотка (вход)
который создает изменяющийся магнитный поле в железном сердечнике.
Тогда изменяющееся магнитное поле побуждает переменного тока
г. та же частота во вторичной катушке ( выход).

Повышающий трансформатор имеет больше витков провода на вторичной обмотке катушка,
что делает большую индуцированную напряжение во вторичной обмотке катушка.
Он называется повышающим трансформатором, потому что выходное напряжение
больше входного напряжения. Если вторичная обмотка
имеет вдвое больше много витков провода, тогда выходное напряжение
будет вдвое больше входного напряжения. См. Уравнение трансформатора.

Ссылки Электромагнетизм Трансформатор Вопросы по пересмотру

gcsescience.ком Викторина по физике Показатель Трансформер Викторина gcsescience.com

Дом GCSE химия GCSE Физика

Авторские права © 2015 gcsescience.com. Все права защищены.

.