1. Трансформатор

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до спожи­вача. Проте воно пов'язане із значними втратами в про­водах, внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює Р = І² R, де І — сила струму в лінії, R — опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшен­ня теплових втрат у проводах лінії передач: 1) змен­шення опору проводів; 2) використання меншої сили струму. Істотно зменшити опір проводів лінії можна ли­ше за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефектив­не зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Р озглянемо будову і принцип дії трансформатора. В найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя (мал. 1). Одна із обмоток — первинна — вми­кається до джерела змінної напруги. Під час прохо­дження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції. Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникав ЕРС індукції.

Отже, якщо первинна обмотка має N₁ витків, а вто­ринна N ₂, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

К = N₁/N₂

Відношення К називають коефіцієнтом трансформа­ції. Коефіцієнт трансформації визначається при холо­стому ході трансформатора, тобто при розімкнутому колі вторинної обмотки.

При холостому ході (коли до кінців вторинної обмот­ки не увімкнуто навантаження) в первинній обмотці йде так званий струм холостого ходу. Сила струму I₀ холо­стого ходу мала (становить приблизно 5 % номінальної сили струму), внаслідок чого спад напруги в первинній обмотці малий, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола U₁|. Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій у ній ЕРС .

Коефіцієнтом трансформації трансформатора нази­вається відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході. В підвищувальному транс­форматорі коефіцієнт трансформації

К < 1 (відповідно U₂> U₁), у знижувальному К>1. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка вико­ристовується як первинна.

Увімкнемо тепер до вторинної обмотки коло, яке споживає електроенергію, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм І (такої ж самої частоти). Цей струм створює в осер­ді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца, назустріч потоку первинної обмотки. Послаблення маг­нітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоін­дукції в первинній обмотці, що викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Але збільшення сили струму у вторинній обмотці супро­воджується збільшенням сили струму самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в первинній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д.

При навантаженні трансформатора відбувається пе­редача енергії із первинної обмотки у вторинну. За зако­ном збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша за потужність у первинному на значення втрат потужності в трансформаторі.

При збільшенні навантаження понад розрахункове генератор не забезпечує постійності напруги на первин­ній обмотці, знижується напруга на вторинній обмотці.

У різних галузях електротехніки і на виробни­цтві широко використовуються трансформатори від мініатюрних до трансформаторів величезних розмі­рів великої потужності.