Номер 694, страница 106 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Получение и передача переменного тока. Трансформатор. Электромагнитное поле - номер 694, страница 106.

694. Предложите способ, каким образом можно электрический звонок, рассчитанный на напряжение $4 \text{ В}$, включить в осветительную сеть с напряжением $220 \text{ В}$.

Дано:

Номинальное напряжение звонка, $U_з = 4$ В

Напряжение осветительной сети, $U_с = 220$ В

Найти:

Способ подключения звонка к сети.

Решение:

Для того чтобы подключить электрический звонок, рассчитанный на напряжение $4$ В, к осветительной сети с напряжением $220$ В, необходимо понизить напряжение сети до рабочего напряжения звонка. Поскольку осветительная сеть является сетью переменного тока, самым эффективным и безопасным способом для этого является использование понижающего трансформатора.

Трансформатор — это устройство, которое преобразует переменное напряжение без существенных потерь мощности. Он состоит из двух обмоток (первичной и вторичной), намотанных на общий сердечник. Первичную обмотку подключают к источнику переменного тока (сети $220$ В), а к вторичной обмотке подключают нагрузку (электрический звонок).

Отношение напряжений на обмотках трансформатора (при холостом ходе) примерно равно отношению числа витков в этих обмотках. Это отношение называется коэффициентом трансформации $k$. Для понижающего трансформатора он больше единицы.

$k = \frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}$

где $U_1$ — напряжение на первичной обмотке (напряжение сети), $U_2$ — напряжение на вторичной обмотке (напряжение звонка), $n_1$ и $n_2$ — число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

В нашем случае необходимо понизить напряжение, поэтому мы используем понижающий трансформатор, у которого число витков в первичной обмотке больше, чем во вторичной ($n_1 > n_2$). Рассчитаем коэффициент трансформации:

$k = \frac{U_с}{U_з} = \frac{220 \text{ В}}{4 \text{ В}} = 55$

Таким образом, для подключения звонка к сети необходимо использовать понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации, равным $55$. Это означает, что его первичная обмотка должна содержать в $55$ раз больше витков, чем вторичная.

Существует и другой способ — последовательное подключение к звонку дополнительного сопротивления (резистора), на котором будет падать "избыточное" напряжение. Однако этот способ имеет существенные недостатки, такие как большие потери энергии на нагрев резистора и низкий КПД, поэтому на практике для таких целей он практически не используется.

Ответ:

Электрический звонок необходимо подключить к осветительной сети через понижающий трансформатор, который понижает напряжение с $220$ В до $4$ В, то есть с коэффициентом трансформации $55$.