Номер 5, страница 212 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

5. Объясните принцип действия трансформатора.

5. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

Конструктивно простейший трансформатор состоит из следующих основных частей:

1. Магнитопровод (сердечник) — обычно замкнутой формы, изготовленный из ферромагнитного материала (например, листовой электротехнической стали) для концентрации и направления магнитного потока.
2. Первичная обмотка — катушка из изолированного провода с числом витков $N_1$, которая подключается к источнику переменного напряжения $U_1$.
3. Вторичная обмотка — катушка с числом витков $N_2$, к которой подключается нагрузка. Она индуктивно связана с первичной обмоткой через общий магнитопровод.

Процесс работы трансформатора можно описать следующим образом:

1. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение $U_1$, в ней возникает переменный ток $I_1$.
2. Этот переменный ток создает в магнитопроводе переменный магнитный поток $\Phi$.
3. Магнитный поток, пронизывая витки как первичной, так и вторичной обмоток, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, наводит в каждом витке ЭДС индукции. В первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции $\mathcal{E}_1$, а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции $\mathcal{E}_2$.
4. Для идеального трансформатора (без потерь) мгновенные значения ЭДС в обмотках пропорциональны числу витков в них:
   $\mathcal{E}_1 = -N_1 \frac{d\Phi}{dt}$
   $\mathcal{E}_2 = -N_2 \frac{d\Phi}{dt}$
5. В режиме холостого хода (когда вторичная обмотка разомкнута) напряжения на зажимах обмоток практически равны наведенным в них ЭДС: $U_1 \approx \mathcal{E}_1$ и $U_2 \approx \mathcal{E}_2$.
6. Из этого следует основное соотношение для трансформатора. Отношение напряжений на обмотках равно отношению чисел витков в них. Эта величина называется коэффициентом трансформации $k$:
   $k = \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{\mathcal{E}_2}{\mathcal{E}_1} = \frac{N_2}{N_1}$

В зависимости от значения коэффициента трансформации различают:

• Повышающий трансформатор: если число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной ($N_2 > N_1$), то $k > 1$, и напряжение на вторичной обмотке будет выше, чем на первичной ($U_2 > U_1$).
• Понижающий трансформатор: если число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной ($N_2 < N_1$), то $k < 1$, и напряжение на вторичной обмотке будет ниже, чем на первичной ($U_2 < U_1$).

В идеальном трансформаторе мощность, потребляемая из сети первичной обмоткой, равна мощности, отдаваемой во вторичную цепь (закон сохранения энергии): $P_1 = P_2$. Так как мощность равна произведению напряжения на силу тока ($P=UI$), то $U_1 I_1 = U_2 I_2$. Отсюда следует соотношение для токов:

$\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} = k$

Это означает, что во сколько раз трансформатор увеличивает напряжение, во столько же раз он уменьшает силу тока, и наоборот (при условии отсутствия потерь).

Ответ: Трансформатор работает на основе явления электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который, в свою очередь, индуцирует переменную ЭДС во вторичной обмотке. Соотношение напряжений на обмотках определяется соотношением числа витков в них, что позволяет повышать или понижать напряжение переменного тока.