Электротрансформатор

Известно, что напряжение, создаваемое мощными генераторами электростанций, лежит в пределах 10–20 кВ. Напряжение, при котором малы потери энергии при передаче, лежит в пределах 100–1000 кВ. Напряжение, необходимое потребителям, составляет 220–600 В. Как видите, при производстве, передаче и использовании электроэнергии требуемые напряжения существенно отличаются. То есть существует потребность в трансформации (от лат. «трансформо» – преобразую) электрического тока одного напряжения в ток другого напряжения. Для этого применяют устройства, называемые электрическими трансформаторами.

Чтобы понять, как работает трансформатор, рассмотрим рисунок. На нём изображено распространение в окружающее пространство магнитного поля катушки, в которой течёт изменяющийся ток. Он может быть изначально переменным, например индукционного происхождения, или изначально постоянным, но изменяться реостатом или другим прибором.
В момент времени А ток был равен нулю, поэтому магнитное поле вокруг катушки отсутствовало. На этапах АВ и ВС сила тока нарастала, и росла область пространства, занятая полем. На этапах CD и DE ток убывал, и область, занятая полем, уменьшалась.
При нарастании тока обратного направления (этап EF и далее) силовые линии вновь продвигались в окружающее пространство. Образно говоря, магнитное поле то расширялось, то сжималось (то есть изменялось). Поэтому, если в такое поле поместить проводник, то в нём возникнет индукционный ток. Он, как и магнитное поле, также будет переменным (то есть изменяющимся).

В электроприборах для получения такого тока используют проводник в виде второй катушки, расположенной на общем сердечнике с первой. Такая конструкция будет являться электрическим трансформатором. При подаче на одну из его обмоток переменного напряжения U1 на второй обмотке мы получаем напряжение U2.
Опыты показывают, что вторичное напряжение U2 будет больше первичного U1, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная (как, например, на рисунке). И наоборот.
Трансформаторы, используемые в технике, могут быть устроены сложнее, однако незыблемым остаётся их принцип действия: изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, пронизывая вторичную обмотку, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Одновременно с изменением напряжения в трансформаторе происходит обратно пропорциональное изменение силы тока. Это означает, что, например, повысив напряжение в 10 раз, мы снижаем силу тока также в 10 раз. Обоснуем это утверждение.
КПД трансформаторов достигает 95–99 %. Это означает, что практически вся энергия тока, проходящего по первичной обмотке трансформатора, превращается в энергию (работу) индукционного тока, возникающего во вторичной обмотке. Это можно записать в виде равенства двух работ, которое затем приведёт к пропорции в рамке.

A1 = A2  I1U1t = I2U2t  I1U1 = I2U2

Формула в рамке подтверждает, что сила тока в первичной обмотке трансформатора во столько раз больше силы тока во вторичной его обмотке, во сколько напряжение на ней больше напряжения на первичной обмотке.