Номер 62.11, страница 219 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления. Параграф 62. Переменный ток. Трансформаторы - номер 62.11, страница 219.

Условие.

62.11 [н] Можно ли использовать понижающий трансформатор 220/12 В в качестве повышающего, если на вторичную обмотку подать напряжение 12 В; 220 В?

Решение.

Решение 4.

Решение 7.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции и является обратимым. Это означает, что любой понижающий трансформатор можно использовать в качестве повышающего, и наоборот, если поменять местами первичную и вторичную обмотки. Однако при таком использовании необходимо строго соблюдать номинальные (паспортные) значения напряжения и тока для каждой из обмоток.

В заданном понижающем трансформаторе 220/12 В есть две обмотки:
- Первичная (высоковольтная): рассчитана на напряжение 220 В, имеет большое количество витков $N_{220}$ из тонкого провода.
- Вторичная (низковольтная): рассчитана на напряжение 12 В, имеет малое количество витков $N_{12}$ из толстого провода (для пропускания большего тока при той же мощности).

Коэффициент трансформации в штатном режиме: $K = \frac{N_{220}}{N_{12}} = \frac{220}{12}$.

Чтобы использовать этот трансформатор как повышающий, необходимо подавать входное напряжение на низковольтную (12 В) обмотку, а снимать выходное с высоковольтной (220 В). Рассмотрим предложенные варианты.

Если на вторичную обмотку подать напряжение 12 В

В этом случае на низковольтную обмотку, которая рассчитана на 12 В, подается ее номинальное напряжение. Трансформатор будет работать в обратном (повышающем) режиме. Напряжение на выходе (на высоковольтной обмотке) будет равно: $U_{вых} = U_{вх} \cdot \frac{N_{220}}{N_{12}} = 12 \text{ В} \cdot \frac{220}{12} = 220 \text{ В}$

Токи в обмотках также будут соответствовать их конструкции: по низковольтной обмотке (которая теперь стала первичной) потечет большой ток, на который рассчитан ее толстый провод, а в высоковольтной обмотке (вторичной) будет меньший ток, соответствующий сечению ее тонкого провода. Таким образом, работа трансформатора будет происходить в штатном режиме для каждой из обмоток, но в повышающей конфигурации.

Ответ: Да, можно. Если на 12-вольтовую обмотку понижающего трансформатора 220/12 В подать напряжение 12 В, он будет корректно работать как повышающий трансформатор, выдавая на второй обмотке напряжение 220 В.

Если на вторичную обмотку подать напряжение 220 В

В этом случае на низковольтную обмотку, рассчитанную на 12 В, подается напряжение 220 В. Это является грубым нарушением условий эксплуатации и приведет к практически мгновенному разрушению трансформатора. Причины следующие:

1. Насыщение магнитопровода. Магнитный поток в сердечнике пропорционален напряжению и обратно пропорционален числу витков. Подача очень высокого (в $220/12 \approx 18.3$ раз выше номинала) напряжения на обмотку с малым числом витков приведет к созданию чрезмерного магнитного потока, который вызовет глубокое насыщение материала сердечника.

2. Катастрофический рост тока. При насыщении сердечника индуктивность обмотки резко падает. Ток холостого хода, который в нормальном режиме мал, возрастет в десятки или сотни раз, так как будет ограничен практически только активным сопротивлением обмотки.

3. Тепловое разрушение. Огромный ток приведет к интенсивному выделению тепла ($P = I^2R$) в низковольтной обмотке, что вызовет расплавление изоляции и самого провода. Трансформатор сгорит.

4. Пробой изоляции. Даже если бы трансформатор выдержал перегрузку по току, теоретическое напряжение на выходе (на высоковольтной обмотке) составило бы: $U_{вых} = 220 \text{ В} \cdot \frac{220}{12} \approx 4033 \text{ В}$. Изоляция этой обмотки рассчитана на 220 В, а не на 4 кВ, поэтому произошел бы ее неминуемый электрический пробой.

Ответ: Нет, категорически нельзя. Подача напряжения 220 В на 12-вольтовую обмотку приведет к немедленному выходу трансформатора из строя из-за перегрузки по току и напряжению.