Виробництво, передача та використання енергії змінного струму. Трансформатори.

Розглянемо будову і принцип дії трансформатора.

В найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя. Одна із обмоток - первинна - вмикається до джерела змінної напруги. Під час проходження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює εі. Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також - εі. Отже, якщо первинна обмотка має N1 витків, а вторинна N2, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

Відношення k називають коефіцієнтом трансформації. Коефіцієнт трансформації визначається при холостому ході трансформатора, тобто при розімкнутому колі вторинної обмотки. При холостому ході (коли до кінців вторинної обмотки не увімкнуто навантаження) в первинній обмотці йде так званий струм холостого ходу. Сила струму I0 холостого ходу мала (становить приблизно 5% номінальної сили струму), внаслідок чого спад напруги в первинній обмотці малий, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола. Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій у ній ЕРС. Тому

Коефіцієнтом трансформації трансформатора називається відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході. В підвищувальному трансформаторі коефіцієнт трансформації k < 1 (відповідно N2 > N1), у знижувальному k > l. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна.

+Увімкнемо тепер до вторинної обмотки коло, яке споживає електроенергію, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм I2 (такої самої частоти). Цей струм створює в осерді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца назустріч потоку первинної обмотки. Послаблення магнітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці, що (при постійній ) викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Але збільшення сили струму у вторинній обмотці супроводжується збільшенням сили струму самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в первинній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д. Зрештою при постійному навантаженні встановлюється певний магнітний потік Ф, ЕРС індукції у вторинній обмотці і сила струму І1 у первинній обмотці. При навантаженні трансформатора відбувається передача енергії із первинної обмотки у вторинну. За законом збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша за потужність у первинному на значення втрат потужності в трансформаторі:

Р2 < Р1; Р1 = Р2 + Рвтрат

Оскільки ККД трансформатора дуже близький до 1, то для наближених розрахунків можна знехтувати втратами потужності в трансформаторі і вважати, що

Р1 = Р2

Д/З опрацювати параграф 21.