Трансформатор: напряжение и ток
Меняй число вторичных витков и сопротивление нагрузки. Проследи сохранение мощности.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Идеальный трансформатор, N₁ = 1000. Действующие значения; ток намагничивания и потери опущены. Рисунок витков условный, реальные числа подписаны.
Устройство: две обмотки и общий поток
Трансформатор использует электромагнитную индукцию: переменный ток первичной обмотки создаёт меняющийся магнитный поток, сцепленный со вторичной. Сердечник улучшает магнитную связь. Электрический контакт между обмотками не является обязательным.
При постоянном неизменном потоке во вторичной обмотке не возникает непрерывная индукционная ЭДС. Поэтому обычный трансформатор непосредственно не преобразует установившееся постоянное напряжение. В электронных преобразователях его сначала превращают в меняющийся сигнал.
Первичная обмотка
Создаёт меняющийся поток
Сердечник
Связывает обмотки магнитно
Вторичная обмотка
Получает индукционную ЭДС
Для работы обычного трансформатора требуется изменение магнитного потока.
Почему трансформатор не является источником дополнительной энергии?
Энергия вторичной цепи поступает из первичной; магнитная связь передаёт её с потерями в реальном устройстве.
Напряжение: отношение витков
Для идеального трансформатора U₁/U₂ = N₁/N₂. В принятом здесь обозначении коэффициент трансформации k = N₁/N₂. При k > 1 напряжение понижается, при k < 1 повышается. Встречаются другие определения k, поэтому формулу указывают явно.
Если N₁ = 1000, N₂ = 200 и U₁ = 100 В, получим U₂ = 20 В. Увеличение числа вторичных витков вдвое при прочих равных удваивает напряжение. Речь идёт об идеальном соотношении либо близком к нему рабочем режиме.
Напряжения
U₂/U₁ = N₂/N₁
Коэффициент
k = N₁/N₂
Пример
100 В · 200/1000 = 20 В
Число витков задаёт отношение напряжений, а не создаёт дополнительную мощность.
Удваивается ли частота при удвоении N₂?
Нет. Частота потока и вторичной ЭДС остаётся частотой первичного возбуждения.
Высоковольтный трансформатор
Обмотки связаны переменным магнитным потоком. Повышение напряжения не означает создания дополнительной мощности.
Novoklimov · CC0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Модель катушки с магнитным сердечником
Катушка связывает ток с магнитным полем. В идеальном контуре её магнитная энергия дополняет электрическую энергию конденсатора.
Svjo · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Ток и мощность: обратное соотношение
В идеальном нагруженном трансформаторе P₁ = P₂. Для активной нагрузки U₁I₁ = U₂I₂, откуда I₂/I₁ = N₁/N₂. Повышение напряжения в пять раз при передаче той же мощности означает уменьшение тока в пять раз.
На холостом ходу вторичный ток почти отсутствует, хотя напряжение есть. Реальный первичный ток включает ток намагничивания и потери; его нельзя всегда точно восстановить из одной формулы идеальной нагрузки.
| Режим | Напряжение U₂ | Ток при той же мощности |
|---|---|---|
| Повышающий | Больше U₁ | Меньше I₁ |
| Понижающий | Меньше U₁ | Больше I₁ |
| Холостой ход | Может быть ненулевым | Вторичный ток почти нулевой |
Обратная связь токов следует из сохранения мощности в идеальном приближении.
Почему нельзя одновременно повысить и напряжение, и ток без увеличения входной мощности?
Их произведение определяет передаваемую активную мощность; иначе нарушился бы энергетический баланс.
Реальный прибор: потери и модель
В обмотках выделяется теплота, в сердечнике есть магнитные потери и вихревые токи. КПД η = P₂/P₁ меньше единицы. Для заданной выходной мощности и КПД входная мощность P₁ = P₂/η; напряжение и ток под нагрузкой также зависят от устройства.
Интерактив использует идеальную магнитную связь и активную нагрузку. Сравни напряжения, токи и мощности при изменении витков и сопротивления нагрузки. Рисунок показывает принцип, а не инструкцию изготовления реального трансформатора.
Отношение витков
Найти U₂
Нагрузка
I₂ = U₂/R
Баланс
P₂ = U₂I₂ и P₁ = P₂ в модели
У реального трансформатора дополнительно учитывают допустимую нагрузку и потери.
Чему равен входной ток при U₁ = 100 В и идеальной выходной мощности 40 Вт?
I₁ = 40/100 = 0,4 А для рассматриваемой активной нагрузки.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 9. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 09. Преобразование переменного тока. Трансформатор.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.