Номер 7, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

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

Устройство трансформатора

Трансформатор — это статическое (не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении его частоты. Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

1. Магнитопровод (сердечник). Это замкнутая магнитная цепь, которая изготавливается из мягкого ферромагнитного материала, например, из специальной электротехнической стали. Сердечник служит для концентрации и усиления магнитного потока, создаваемого обмотками. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают сердечник, его делают не сплошным, а шихтованным — собранным из тонких, изолированных друг от друга лаком или оксидной пленкой пластин.

2. Обмотки. На сердечник наматываются как минимум две изолированные друг от друга и от сердечника катушки из медного или алюминиевого провода:

• Первичная обмотка — обмотка, которая подключается к источнику переменного тока.
• Вторичная обмотка — обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии).

В трансформаторе может быть и больше двух обмоток. Все обмотки индуктивно связаны между собой через общий магнитный поток в сердечнике.

Ответ: Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, на который намотаны как минимум две индуктивно связанные, но электрически изолированные обмотки: первичная (для подключения к источнику) и вторичная (для подключения нагрузки).

Принцип действия трансформатора

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Процесс преобразования напряжения происходит следующим образом:

1. При подключении первичной обмотки с числом витков $N_1$ к источнику переменного напряжения $U_1$ в ней возникает переменный ток $I_1$.

2. Этот переменный ток создает в сердечнике переменный во времени магнитный поток $\Phi$.

3. Сердечник концентрирует этот магнитный поток так, что он пронизывает все витки как первичной, так и вторичной обмотки.

4. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, переменный магнитный поток индуцирует в каждой обмотке электродвижущую силу (ЭДС). Величина ЭДС, индуцируемой в обмотке, прямо пропорциональна числу витков в ней и скорости изменения магнитного потока.

Для идеального трансформатора (без потерь энергии) можно считать, что напряжения на обмотках равны индуцируемым в них ЭДС ($U \approx E$). Отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках равно отношению чисел витков в этих обмотках: $$ \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{E_2}{E_1} = \frac{N_2}{N_1} = k $$ Эта величина $k$ называется коэффициентом трансформации.

• Если число витков вторичной обмотки больше, чем первичной ($N_2 > N_1$), то напряжение на ней будет выше ($U_2 > U_1$). Такой трансформатор называется повышающим.
• Если число витков вторичной обмотки меньше, чем первичной ($N_2 < N_1$), то напряжение на ней будет ниже ($U_2 < U_1$). Такой трансформатор называется понижающим.

Мощность в идеальном трансформаторе сохраняется: $P_1 = P_2$, или $U_1 I_1 = U_2 I_2$. Из этого следует, что во сколько раз трансформатор повышает напряжение, во столько же раз он понижает силу тока, и наоборот.

Ответ: Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который индуцирует ЭДС во вторичной обмотке, изменяя напряжение пропорционально соотношению числа витков.

Применение трансформатора

Трансформаторы являются одним из важнейших элементов в системах производства, передачи и потребления электроэнергии, а также в электронике.

• Передача и распределение электроэнергии. Это основное применение. На электростанциях напряжение повышают до сотен тысяч вольт с помощью мощных повышающих трансформаторов. Передача энергии при высоком напряжении позволяет значительно уменьшить силу тока ($P=UI$) и, как следствие, снизить тепловые потери в проводах ($P_{потерь} = I^2R$). Перед подачей потребителям напряжение многократно понижается на подстанциях с помощью понижающих трансформаторов до стандартных бытовых (220/230 В) или промышленных (380 В) значений.
• Электроника и бытовая техника. Компактные понижающие трансформаторы являются неотъемлемой частью блоков питания практически всех электронных устройств (компьютеров, телевизоров, зарядных устройств), где они понижают сетевое напряжение до низких значений (например, 5 В, 12 В, 19 В), необходимых для работы электронных схем.
• Сварочные аппараты. Для электродуговой сварки используются специальные понижающие трансформаторы, которые преобразуют сетевое напряжение в очень низкое (десятки вольт), но обеспечивают при этом очень большой ток (сотни ампер), способный расплавить металл.
• Измерительная техника. Измерительные трансформаторы тока и напряжения служат для безопасного подключения измерительных приборов (амперметров, вольтметров) и устройств релейной защиты к высоковольтным цепям, понижая ток и напряжение до безопасных стандартных величин.
• Гальваническая развязка. Трансформаторы с коэффициентом трансформации $k=1$ ($N_1=N_2$) используются для электрической изоляции (гальванической развязки) оборудования от питающей сети с целью повышения электробезопасности, не изменяя при этом величину напряжения.

Ответ: Трансформаторы применяются для повышения/понижения напряжения при передаче электроэнергии, в блоках питания, в сварочной технике, для измерительных целей и для обеспечения электробезопасности путем гальванической развязки цепей.