Номер 7, страница 85, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

7. Объясните принцип действия трансформатора.

*7. Объясните принцип действия трансформатора.

Решение

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции — возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Трансформатор состоит из двух основных частей: замкнутого сердечника (магнитопровода) из ферромагнитного материала и как минимум двух обмоток, намотанных на него. Обмотка, к которой подключается источник переменного напряжения, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, — вторичной.

Процесс работы трансформатора можно описать пошагово:

1. На первичную обмотку с числом витков $N_1$ подается переменное напряжение $U_1$.
2. Под действием этого напряжения в первичной обмотке возникает переменный ток $I_1$.
3. Этот переменный ток создает в сердечнике переменный магнитный поток $\Phi$. Сердечник концентрирует и направляет этот поток так, что он пронизывает обе обмотки.
4. Переменный магнитный поток, проходя через витки вторичной обмотки с числом витков $N_2$, индуцирует в ней переменную ЭДС индукции $E_2$ (согласно закону Фарадея). Одновременно в первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции $E_1$.

Для идеального трансформатора (в котором нет потерь энергии) можно считать, что напряжение на зажимах обмоток равно соответствующим ЭДС ($U_1 \approx E_1$ и $U_2 \approx E_2$). ЭДС, индуцируемая в каждой обмотке, пропорциональна числу витков в ней и скорости изменения магнитного потока. Так как магнитный поток один и тот же для обеих обмоток, отношение ЭДС (и напряжений) равно отношению числа витков:

$\frac{U_2}{U_1} \approx \frac{E_2}{E_1} = \frac{N_2}{N_1} = k$

Эта величина $\text{k}$ называется коэффициентом трансформации.

• Если $k > 1$ (т.е. $N_2 > N_1$), то $U_2 > U_1$. Трансформатор является повышающим.
• Если $k < 1$ (т.е. $N_2 < N_1$), то $U_2 < U_1$. Трансформатор является понижающим.

По закону сохранения энергии, мощность в идеальном трансформаторе не теряется, то есть мощность в первичной цепи равна мощности во вторичной: $P_1 = P_2$.

Так как $P = U \cdot I$, то $U_1 I_1 = U_2 I_2$. Из этого следует, что отношение сил токов в обмотках обратно пропорционально отношению напряжений:

$\frac{I_2}{I_1} = \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{1}{k}$

Это означает, что повышающий напряжение трансформатор одновременно понижает силу тока, и наоборот, понижающий трансформатор повышает силу тока.

Ответ: Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, проходящий через первичную обмотку, создает в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток, в свою очередь, индуцирует переменную ЭДС во вторичной обмотке. Отношение напряжений на обмотках примерно равно отношению числа витков в них, что позволяет изменять (повышать или понижать) напряжение переменного тока.