ель работы: исследовать преобразование переменного электрического тока с помощью трансформатора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

ель работы: исследовать преобразование переменного электрического тока с помощью трансформатора.

Приборы и принадлежности:

1. Источник переменного тока

2. Катушка 400 витков

3. Катушка 1600 витков

4. Железный сердечник

5. Проектор.

Краткая теория

Электрический ток никогда не получил бы такого широкого применения, если быего нельзя было преобразовывать почти без потерь энергии.

Назначение трансформаторов. ЭДС мощных генераторов электростанций довольно велика. Между тем в практика чаще всего нужно не слишком высокое напряжение.

Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы была использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.

Устройство трансформатора. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Условное обозначение трансформатора приведено на рисунке.

Трансформатор на холостом ходу. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

где — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей витков, полная ЭДС индукции равна . Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции равна ( — число витков этой обмотки). Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС и изменяются синфазно (одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль). Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений и этих ЭДС и отношением действующих значений напряжений и :

Величина К называется коэффициентом трансформации. Он равен отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора. При К > 1 трансформатор является понижающим, а при К < 1 — повышающим.

Работа нагруженного трансформатора. Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока, казалось бы должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной обмотке. Это, однако, не произойдет, так как . Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

отсюда

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент трансформации?

2. Что понижает и что повышает понижающий трансформатор? Пояснить.

3. Каково назначение сердечника в трансформаторе?

4. Почему при замыкании одного витка обмотки трансформатор выходит их строя?

5. Что произойдет с трансформатором, рассчитанным на напряжение первичной цепи 110 В, если включить его в цепь постоянного тока того же напряжения?

6. Почему происходит потеря энергии в трансформаторе?