Номер 3, страница 226 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

3. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.

Устройство трансформатора

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Основными конструктивными элементами трансформатора являются:

• Магнитопровод (сердечник): Он служит для концентрации и направления магнитного потока. Обычно изготавливается из ферромагнитного материала (например, электротехнической стали) для уменьшения магнитного сопротивления. Чтобы уменьшить потери энергии на вихревые токи (токи Фуко), магнитопровод делают не сплошным, а шихтованным, то есть собранным из тонких, изолированных друг от друга пластин.
• Обмотки: На магнитопровод наматываются как минимум две катушки с изолированным проводом.
  • Первичная обмотка: обмотка, к которой подводится электрическая энергия от источника переменного тока.
  • Вторичная обмотка: обмотка, с которой снимается преобразованное напряжение для подключения к нагрузке.

В зависимости от конструкции, трансформаторы могут быть стержневыми (обмотки охватывают стержни магнитопровода) или броневыми (магнитопровод охватывает обмотки). Для охлаждения мощных трансформаторов используется трансформаторное масло.

Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Процесс преобразования энергии происходит следующим образом:

1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения $U_1$ по ней начинает протекать переменный ток $I_1$.
2. Этот переменный ток создает в магнитопроводе переменный магнитный поток $\Phi$.
3. Магнитный поток, замыкаясь по сердечнику, пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток.
4. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, переменный магнитный поток индуцирует в каждой обмотке электродвижущую силу (ЭДС). В первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции $E_1$, которая практически уравновешивает напряжение источника $U_1$. Во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции $E_2$.

Для идеального трансформатора (без потерь) справедливы следующие соотношения. ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна числу витков в ней:

$E_1 = -N_1 \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

$E_2 = -N_2 \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

где $N_1$ и $N_2$ — число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно. Отношение ЭДС равно отношению числа витков. При разомкнутой вторичной обмотке (режим холостого хода) напряжения на зажимах примерно равны ЭДС: $U_1 \approx E_1$ и $U_2 \approx E_2$.

Отношение напряжений на обмотках называется коэффициентом трансформации $k$:

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

• Если $N_2 > N_1$, то $k > 1$, и трансформатор является повышающим ($U_2 > U_1$).
• Если $N_2 < N_1$, то $k < 1$, и трансформатор является понижающим ($U_2 < U_1$).

В идеальном трансформаторе мощность, потребляемая из сети, равна мощности, отдаваемой в нагрузку: $P_1 = P_2$. Так как $P = UI$, 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 повышая напряжение, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот), что является ключевым свойством для передачи электроэнергии.

Применение трансформатора

Трансформаторы являются неотъемлемой частью современной электротехники и энергетики. Основные области их применения:

• Передача и распределение электроэнергии: На электростанциях напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно 6–24 кВ), повышается с помощью мощных трансформаторов до сотен киловольт (110, 220, 500 кВ и выше) для передачи по линиям электропередачи (ЛЭП). Это позволяет значительно снизить силу тока и, следовательно, тепловые потери в проводах ($P_{потерь} = I^2 R$). В местах потребления (городах, на заводах) напряжение понижается с помощью серии понижающих трансформаторов до стандартных значений (например, 220/380 В).
• Бытовая и промышленная электроника: В блоках питания различных устройств (компьютеров, телевизоров, зарядных устройств для телефонов) используются маломощные понижающие трансформаторы для преобразования сетевого напряжения 220 В в низкие напряжения (например, 5, 12, 24 В), необходимые для работы электронных схем.
• Сварочная техника: Сварочные аппараты представляют собой мощные понижающие трансформаторы, которые создают низкое напряжение (несколько десятков вольт), но очень большой ток (сотни ампер), необходимый для зажигания и поддержания сварочной дуги.
• Измерительная техника: В высоковольтных цепях для безопасного измерения больших токов и напряжений применяются измерительные трансформаторы: трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Они понижают ток и напряжение до безопасных значений, которые могут быть измерены стандартными приборами.
• Радиотехника и аудиотехника: Трансформаторы используются для согласования сопротивлений (импедансов) между различными каскадами усилителей или между выходом усилителя и акустической системой для обеспечения максимальной передачи мощности.

Ответ:

Трансформатор — это электромагнитное устройство, состоящее из магнитопровода и как минимум двух обмоток (первичной и вторичной). Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который, в свою очередь, индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Соотношение напряжений на обмотках определяется соотношением числа витков в них. Основное применение трансформаторов — повышение напряжения для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния и последующее его понижение для конечных потребителей, а также использование в блоках питания, сварочных аппаратах и измерительной технике.