Номер 3, страница 39 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. Как объясняется физическая разница первичной и вторичной обмоток трансформатора?

3. Физическая разница между первичной и вторичной обмотками трансформатора заключается в их функциональном назначении и, как следствие, в конструктивных особенностях, которые определяются этим назначением.

Первичная обмотка — это обмотка, которая подключается к источнику переменного напряжения (к сети). Её основная физическая функция — преобразование электрической энергии источника в энергию переменного магнитного поля. Протекающий по ней переменный ток создает в магнитопроводе (сердечнике) трансформатора переменный магнитный поток.

Вторичная обмотка — это обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель энергии). В ней под действием переменного магнитного потока, созданного первичной обмоткой, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) индукции. Эта ЭДС создает напряжение на выходе трансформатора и обеспечивает протекание тока через нагрузку. Таким образом, ее функция — преобразование энергии магнитного поля обратно в электрическую энергию.

Эти функциональные различия определяют конструктивные различия:

1. Количество витков ($N$). Отношение напряжений на обмотках (коэффициент трансформации) в идеальном трансформаторе равно отношению числа витков в них. Формула для ЭДС в обмотках выглядит так:

$ \frac{\mathcal{E}_1}{\mathcal{E}_2} = \frac{N_1}{N_2} $

В режиме холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, ЭДС примерно равны напряжениям ($ \mathcal{E} \approx U $), поэтому:

$ \frac{U_1}{U_2} \approx \frac{N_1}{N_2} $

где $U_1$ и $N_1$ — напряжение и число витков первичной обмотки, а $U_2$ и $N_2$ — напряжение и число витков вторичной обмотки. Таким образом, в понижающем трансформаторе число витков вторичной обмотки меньше, чем первичной ($N_2 < N_1$), а в повышающем — больше ($N_2 > N_1$).

2. Толщина провода. Мощность, потребляемая от сети, в идеальном трансформаторе без потерь равна мощности, отдаваемой в нагрузку ($P_1 = P_2$, или $U_1 I_1 = U_2 I_2$). Из этого равенства и соотношения напряжений следует, что отношение токов обратно пропорционально отношению числа витков:

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

Это означает, что в обмотке с меньшим напряжением протекает больший ток, и наоборот. Чтобы избежать перегрева из-за джоулевых потерь и падения напряжения, провод обмотки, рассчитанной на больший ток (то есть низковольтной), должен иметь большее поперечное сечение. Следовательно, провод низковольтной обмотки всегда толще, чем провод высоковольтной обмотки.

Пример: в понижающем трансформаторе (например, 220 В → 12 В) первичная обмотка высоковольтная, а вторичная — низковольтная. Поэтому первичная обмотка будет иметь много витков тонкого провода, а вторичная — мало витков толстого провода.

Ответ: Физическая разница между первичной и вторичной обмотками трансформатора заключается в их функциях и, как следствие, в конструкции. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока и её функция — создать переменный магнитный поток. Вторичная обмотка, в которой этим потоком индуцируется ЭДС, подключается к нагрузке. Это функциональное различие определяет их конструкцию: количество витков ($N$) задает соотношение напряжений (в повышающем трансформаторе $N_2 > N_1$, в понижающем $N_2 < N_1$), а толщина провода определяется величиной протекающего тока (обмотка с меньшим напряжением рассчитана на больший ток и поэтому выполнена из более толстого провода).