Тема №2/44

Тема №22: «Преобразование переменного тока. Трансформаторы. Индукционная катушка. Получение, передача и распространение электрической энергии.»

1 Опрос:

1. Проверка домашних задач у доски;

2. Устный фронтальный опрос по вопросам:

- Дайте определение переменного тока.

- Как устроен простейший генератор переменного тока?

- Почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает ЭДС индукции?

- По какому закону изменяются ЭДС индукции, сила переменного тока и напряжение?

- Что называется действующим значением силы тока и напряжения и как эти значения связаны с максимальными значениями этих величин?

2 Преобразование переменного тока. Трансформаторы. Трансформатор  был  изобретен   английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 г. Трансформатор является одним из главных компонентов современных электроэнергетических систем. Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — статическое (не имеющее подвижных частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока обычно другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности.

Трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток, охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. На первичную обмотку трансформатора, подаётся напряжение от внешнего источника переменного тока. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора создаёт в обмотках ЭДС индукции, в том числе и в первичной обмотке.

Обмотка трансформатора, соединенная с источником электроэнергии, называется первичной (рис.2). Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков N₁ напряжение U₁, сила тока I₁ и т.д. Обмотка, соединенная с нагрузкой, называется вторичной, относящиеся к ней величины также называются вторичными (N₂, U₂, I₂…) У некоторых трансформаторов может быть несколько вторичных обмоток, питающих разные цепи.

Рис.2. Электромагнитная схема (а) и условные обозначения (б) однофазного двухобмоточного трансформатора.

Под действием подведенного переменного напряжения в первичной обмотке возникает ток I₁, и возбуждается изменяющийся магнитный поток. Этот магнитный поток индуцирует в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции Ɛ₁, а во вторичной обмотке - ЭДС взаимоиндукции Ɛ₂. ЭДС Ɛ₂ создаст напряжение U₂ на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи на нагрузку возникает ток I₂, который образует собственный магнитный поток, накладывающийся на поток первичной обмотки , и в результате образуется общий магнитный поток Ф.

Результирующие ЭДС индукции Ɛ₁ в первичной и Ɛ₂ вторичной обмотках пропорциональны числу витков в них (т.к. ЭДС отдельных витков направлены согласованно и складываются):

Ɛ₁ = -N₁ ΔФ/Δt Ɛ₂ = -N₂ ΔФ/Δt

Отношение ЭДС в обмотках: Ɛ₁/Ɛ₂ = N₁/N₂

Если сопротивлением обмоток пренебречь, то Ɛ₁ = U₁; Ɛ₂ = U₂

Коэффициент трансформации:

K = U₁/U₂ = N₁/N₂ (65)

У повышающего трансформатора (U₂ >U₁) N₂ > N₁ => k < 1

У понижающего трансформатора (U₂ < U₁) N₂ <N₁ => k >1

Потери мощности в трансформаторах составляют 2-3% от мощности источника в первичной обмотке. Поэтому мощность тока во вторичной обмотке можно считать равной мощности тока в первичной обмотке:

I₁U₁ = I₂U₂

Cледовательно,

I₂/I₁ = U₁/U₂ = k (66)

При повышении напряжения с помощью трансформатора во столько же раз уменьшается сила тока и наоборот.

Трансформаторы используются в электросетях, при передаче электроэнергии. Трансформаторы используются в блоках питания самых различных электроприборов. 

3 Индукционная катушка Румкорфа — устройство для получения импульсов высокого напряжения до 10 кВ. Состоит из цилиндрической части, с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании — прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании обратного.

При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3кВ на 1мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор C.

Разница напряжений прямого и обратного может использоваться для получения постоянного тока. Для этого подбирается размер искрового промежутка, который играет роль «выпрямителя». Нагрузка подключается последовательно.Катушку Румкорфа, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, использовали в своих опытах с электромагнитными волнами Генрих Герц, А. С. Попов, Гульельмо Маркони и др.