Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. Первые трансформаторы были сконструированы и введены в практику русским электротехником П.Н.Яблочковым (1847 – 1894) и русским физиком И.Ф.Усагиным (1855 – 1919). Принципиальная схема трансформатора показана на рис. 20.
Первичная и вторичная катушки (обмотки), имеющие соответственно n 1 и n 2 витков, укреплены на замкнутом железном сердечнике. Так как концы первичной обмотки присоединены к источнику переменного напряжения с э.д.с. E1, то в ней возникает переменный ток создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который практически полностью локализован в железном сердечнике и, сле- Рис.20. довательно, почти целиком пронизывает витки вторич-ной обмотки. Изменение этого потока вызывает во вторичной обмотке появление э.д.с. электромагнитной индукции, а в первичной – э.д.с. самоиндукции.
По закону Ома, ток I 1, первичной обмотки определяется алгебраической суммой внешней э.д.с. и э.д.с. самоиндукции: I 1 R 1=[Ei–d(n 1Ф)/d t ], где R 1 – сопротивление первичной обмотки. Падение напряжения I 1 R 1 на сопротивлении R 1, при быстропеременных полях мало по сравнению с каждой из двух э.д.с., поэтому E1» n 1dФ/d t.
Э.д.с. электромагнитной индукции, возникающая во вторичной обмотке,
E2= –[(d n 2Ф)/d t ] = – n 2(dФ/d t). (19.1)
Сравнивая выражения для E1 и E2, получим, что э.д.с., возникающая во вторичной обмотке,
E2= –(n 2/ n 1) E1, (19.2)
где знак минус показывает, что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках противоположны по фазе. Отношение числа витков n 1/ n 2 показывающее, во сколько раз э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора больше (или меньше), чем в первичной, называется коэффициентом трансформации.
Пренебрегая потерями энергии, которые в современных трансформаторах не превышают 2% и связаны в основном с выделением в обмотках джоулевой теплоты и появлением вихревых токов, и применяя закон сохранения энергии, можем записать, что мощности тока в обеих обмотках трансформатора практически одинаковы:
E2 I 2 ≈ E1 I 1, (19.3)
откуда, учитывая соотношение (19.2), найдем E2 /E1 = I 1/ I 2 = n 2/ n 1, т.е. токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числу витков в этих обмотках.
Если n 2/ n 1>1, то имеем дело с повышающим трансформатором, увеличивающим переменную э.д.с. и понижающим ток (применяется, например, для передачи электроэнергии на большие расстояния, так как в данном случае потери на джоулеву теплоту, пропорциональные квадрату силы тока, снижаются). Если n 2/ n 1<1, то имеем дело с понижающим трансформатором, уменьшающим э.д.с. и повышающим ток (применяется, например, при электросварке, так как для нее требуется большой ток при низком напряжении).
Трансформаторы, исполъзуемые в радиотехнике, имеют 4–5 обмоток, обладающих разными рабочими напряжениями. Трансформатор, состоящий из одной обмотки, называется автотрансформатором. В случае повышающего автотрансформатора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается со всей обмотки. В понижающем автотрансформаторе напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки.
