Взаимная индукция. Трансформаторы.
1. Взаимная Индукция
Взаимная индукция — это явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в одном замкнутом контуре (катушке), называемом вторичным, при изменении силы тока в другом, первичном, контуре, расположенном рядом.
Механизм:
Ток
в первичной катушке (
)
создаёт магнитный поток
.Часть этого потока
пронизывает вторичную катушку
(
).При изменении тока (т.е.
),
изменяется и поток
,
пронизывающий
.По закону Фарадея, это изменение потока наводит ЭДС взаимной индукции (
)
во вторичной катушке.
Коэффициент Взаимной
Индукции (
)
Суммарный магнитный
поток
(потокосцепление), пронизывающий
вторичную катушку (
витков), пропорционален току
в первичной катушке:
Коэффициент взаимной индукции ( ) — это физическая величина, зависящая от геометрических размеров, числа витков обеих катушек и магнитной проницаемости среды между ними. Измеряется в Генри ( ).
ЭДС Взаимной Индукции
ЭДС, наводимая во вторичной
катушке:
Обратное явление:
Аналогично, изменение тока
во вторичной катушке наводит ЭДС
в первичной, причём:
.
Коэффициенты взаимной индукции
одинаковы (
).
2. Трансформаторы
Трансформатор — это устройство, основанное на явлении взаимной индукции, предназначенное для преобразования (трансформации) переменного тока и напряжения одной величины в переменный ток и напряжение другой величины без существенной потери мощности.
Устройство
Трансформатор состоит из:
Магнитопровод (сердечник): Замкнутый сердечник из магнито-мягкого ферромагнитного материала (для усиления магнитного потока). Изготавливается шихтованным (из тонких изолированных пластин) для уменьшения потерь на вихревые токи.
Первичная обмотка (
):
Подключается к источнику переменного
напряжения (
).Вторичная обмотка ( ): Подключается к нагрузке, где снимается преобразованное напряжение (
).
Принцип действия
Первичная обмотка, подключённая к переменному напряжению , создаёт в сердечнике переменный магнитный поток . Почти весь этот поток, по закону Фарадея, пронизывает и первичную, и вторичную обмотки, наводя в них ЭДС:
Коэффициент Трансформации ( )
Отношение ЭДС (и напряжений в режиме холостого хода) прямо пропорционально отношению числа витков:
Повышающий трансформатор:
.
Напряжение
выше, чем
.
Понижающий трансформатор:
.
Напряжение
ниже, чем
.
Трансформация Тока и Мощность
По закону сохранения
энергии, при идеальном (без потерь)
трансформаторе, мощность первичной
обмотки равна мощности вторичной:
.
Отсюда следует обратное
соотношение для токов:
Трансформатор, повышающий напряжение, одновременно понижает силу тока и наоборот.
Трансформаторы необходимы для:
Передачи электроэнергии: Повышение напряжения (и понижение тока) перед передачей на большие расстояния для минимизации потерь (
).Бытовой техники: Понижение напряжения до безопасного уровня (например, для зарядных устройств).