Номер 2, страница 42 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

2. Для чего используют трансформатор?

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности. Основная функция трансформатора заключается в повышении или понижении напряжения в цепи переменного тока.

Основное назначение и принцип работы

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Он состоит из двух (или более) изолированных проволочных катушек (обмоток), намотанных на общий магнитный сердечник. Обмотка, подключенная к источнику переменного тока, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, — вторичной.

Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС) индукции. Соотношение напряжений на обмотках (в режиме холостого хода) примерно равно соотношению числа витков в них:
$ \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{E_2}{E_1} = \frac{n_2}{n_1} = k $
где $U_1$ и $U_2$ — напряжения на первичной и вторичной обмотках, $E_1$ и $E_2$ — ЭДС в обмотках, $n_1$ и $n_2$ — число витков в обмотках, а $\text{k}$ — коэффициент трансформации.
- Если $k > 1$ (т.е. $n_2 > n_1$), трансформатор является повышающим (увеличивает напряжение).
- Если $k < 1$ (т.е. $n_2 < n_1$), трансформатор является понижающим (уменьшает напряжение).
Мощность в идеальном трансформаторе остается неизменной: $P_1 = P_2$, или $U_1 I_1 = U_2 I_2$. Таким образом, при повышении напряжения во столько же раз уменьшается сила тока, и наоборот.

Применение в передаче электроэнергии

Ключевая роль трансформаторов — в системах передачи и распределения электроэнергии. Электроэнергия вырабатывается на электростанциях при относительно невысоких напряжениях (например, 10–20 кВ). Для передачи на большие расстояния это напряжение необходимо значительно повысить.

Это делается для минимизации потерь мощности в линиях электропередачи (ЛЭП). Потери мощности на нагрев проводов определяются законом Джоуля-Ленца:
$ P_{потерь} = I^2 R $
где $\text{I}$ — сила тока в ЛЭП, а $\text{R}$ — сопротивление проводов.

Передаваемая по линии мощность равна $P_{пер} = U I$, откуда сила тока $I = \frac{P_{пер}}{U}$. Подставив это в формулу потерь, получим:
$ P_{потерь} = (\frac{P_{пер}}{U})^2 R = \frac{P_{пер}^2 R}{U^2} $
Из этой формулы видно, что потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения. Поэтому, используя на электростанциях повышающие трансформаторы для увеличения напряжения до сотен киловольт (например, 220, 500, 750 кВ), удается значительно сократить потери при передаче энергии на большие расстояния.

В местах потребления (города, предприятия) высокое напряжение опасно и непригодно для использования. Поэтому с помощью целой серии понижающих трансформаторов на подстанциях напряжение поэтапно снижается до стандартных значений (например, 6–10 кВ для промышленных объектов и 0,4 кВ, т.е. 380/220 В, для бытовых потребителей).

Другие области применения

Трансформаторы широко используются не только в энергетике:
1. Блоки питания: В большинстве электронных устройств (компьютеры, телевизоры, зарядные устройства для телефонов) используются небольшие понижающие трансформаторы для преобразования сетевого напряжения 220 В в низкие напряжения (например, 5 В, 12 В, 24 В), необходимые для питания электронных схем.
2. Сварочная техника: В сварочных аппаратах применяются мощные понижающие трансформаторы, которые создают очень большой ток (сотни ампер) при низком напряжении. Этот ток необходим для зажигания и поддержания электрической дуги, плавящей металл.
3. Измерительная техника: Измерительные трансформаторы (трансформаторы тока и трансформаторы напряжения) используются в высоковольтных сетях для безопасного измерения больших токов и напряжений. Они понижают эти величины до стандартных значений, безопасных для подключения измерительных приборов (амперметров, вольтметров) и реле защиты.
4. Согласование импедансов: В радиотехнике и аудиотехнике трансформаторы применяют для согласования сопротивлений (импедансов) различных частей схемы (например, выхода усилителя и входа динамика) для обеспечения передачи максимальной мощности от источника к нагрузке.
5. Гальваническая развязка: Трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию между первичной и вторичной цепями, так как они связаны только магнитным полем. Это свойство используется для повышения электробезопасности приборов и для устранения помех в измерительных и аудиосхемах.

Ответ: Трансформаторы используют для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного тока. Их ключевое применение — передача электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями за счет многократного повышения напряжения. Они также широко используются в блоках питания электронных устройств, в сварочных аппаратах, измерительной технике, для согласования сопротивлений (импедансов) в аудио- и радиосхемах, а также для обеспечения гальванической развязки в целях электробезопасности.