Что такое трансформатор и зачем он нужен
Одним из ключевых преимуществ переменного тока перед постоянным является возможность простого изменения его силы и напряжения. Устройства, которые выполняют эту задачу — преобразуют переменный ток одного напряжения в ток другого напряжения, — называются электрическими трансформаторами. Их название происходит от латинского слова "transformo", что означает "преобразую".
Устройство и принцип действия
Конструктивно трансформатор состоит из нескольких изолированных катушек (обмоток), намотанных на общий каркас. Эти обмотки размещаются на магнитопроводе, который собирается из тонких пластин специальной электротехнической стали для уменьшения потерь энергии.
Принцип работы основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный электрический ток, протекающий по первичной обмотке, создает вокруг нее переменное магнитное поле. Это поле, концентрируясь в магнитопроводе, пересекает витки вторичной обмотки, наводя в ней переменную электродвижущую силу (ЭДС). Если к выводам вторичной обмотки подключить нагрузку, например, лампу накаливания, в цепи возникнет ток. Таким образом, энергия передается из одной цепи в другую без прямого электрического соединения обмоток, исключительно посредством магнитного поля.
Как трансформатор изменяет напряжение
Напряжение на выходе трансформатора напрямую зависит от соотношения числа витков в его обмотках. Если количество витков в первичной и вторичной обмотках одинаково, то и напряжения на них будут равными. Например, при подаче на вход 220 В, на выходе также получим 220 В.
Если же обмотки имеют разное число витков, напряжение изменяется. В повышающем трансформаторе вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, что приводит к увеличению выходного напряжения. И наоборот, в понижающем трансформаторе вторичная обмотка имеет меньше витков, что позволяет получить на выходе более низкое напряжение, чем на входе.
Широкое применение в энергетике и технике
Трансформаторы играют колоссальную роль в современной электроэнергетике и являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Мощные силовые трансформаторы — основа для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния. Чтобы минимизировать потери в линиях электропередачи, напряжение, вырабатываемое на электростанциях, с помощью трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Уже вблизи мест потребления — городов, заводов — это высокое напряжение снова понижают до безопасных и удобных для использования уровней (например, 380/220 В).
Мощные трансформаторы в процессе работы выделяют значительное количество тепла. Для их охлаждения активную часть (магнитопровод с обмотками) часто помещают в бак, заполненный специальным минеральным маслом, которое эффективно отводит тепло. Такие масляные трансформаторы могут достигать высоты в несколько метров и весить сотни тонн.
Параллельно с гигантами энергосистем существуют и миниатюрные трансформаторы, которые можно найти в самой разнообразной бытовой и профессиональной технике: в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах и телефонных аппаратах. В электронных устройствах они выполняют несколько функций: обеспечивают разные напряжения для питания различных цепей, передают сигналы между каскадами усилителей, а также выполняют гальваническую развязку цепей, обеспечивая безопасность и помехозащищенность.