Устройство трансформатора: как устроен и как работает трансформатор

Трансформатор — устройство, которое изменяет переменное напряжение: повышает его или понижает, не меняя частоты тока. Он стоит в каждой электрической сети — от электростанции до зарядки старого телефона. Устроен трансформатор очень просто, в нём нет ни одной движущейся детали. Это замкнутый сердечник из стали и две обмотки из медного или алюминиевого провода, надетые на него. Одна обмотка, первичная, подключена к источнику тока. Другая, вторичная, отдаёт ток потребителю. Электрически обмотки друг с другом не соединены: энергия переходит из одной в другую через магнитное поле. Ниже — части трансформатора, как работает электромагнитная индукция, как считать напряжение, где трансформаторы стоят в жизни и план ответа на уроке.

Из чего состоит трансформатор

Часть	Что делает
Сердечник (магнитопровод)	Замкнутая рамка из тонких листов электротехнической стали; проводит магнитное поле от первичной обмотки ко вторичной
Изоляция листов	Лак или окалина между листами; не даёт возникнуть большим вихревым токам в самом сердечнике
Первичная обмотка	Катушка из изолированного провода; подключается к источнику переменного тока и создаёт в сердечнике магнитное поле
Вторичная обмотка	Катушка, в которой наводится напряжение; к ней подключают потребителей
Изоляция обмоток	Лак на проводе и прокладки между слоями; не даёт виткам замкнуться друг с другом и с сердечником
Выводы	Концы обмоток, к которым подключают провода
Система охлаждения	У маленьких — воздух, у больших — бак с трансформаторным маслом и радиаторы
Корпус	Защищает от влаги, пыли и прикосновения к частям под напряжением

Почему сердечник из тонких листов. Сталь проводит ток. Меняющееся магнитное поле наводило бы в сплошном куске стали вихревые токи — они просто грели бы сердечник, тратя энергию впустую. Если собрать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга, путь для вихревых токов оказывается разорван, и потери становятся небольшими.

Как работает трансформатор

В основе — явление электромагнитной индукции, которое открыл Майкл Фарадей в 1831 году: если магнитное поле, пронизывающее проводящий контур, меняется, в контуре возникает напряжение. Об устройстве магнитного поля — в статье о том, как работает магнит.

1. Переменный ток в первичной обмотке. Ток из сети 50 раз в секунду меняет направление, растёт и падает.
2. Переменное магнитное поле. Ток в витках создаёт магнитное поле, и оно меняется вместе с током.
3. Сердечник ведёт поле. Сталь намного лучше воздуха проводит магнитный поток, поэтому почти весь поток замыкается по сердечнику и проходит через вторичную обмотку.
4. Индукция во вторичной обмотке. Меняющийся магнитный поток наводит в каждом витке вторичной обмотки одинаковое напряжение. Витки соединены последовательно, их напряжения складываются.
5. Ток к потребителю. Если к вторичной обмотке подключить лампу, по ней пойдёт ток. Он тоже создаёт магнитное поле, и источник в ответ отдаёт в первичную обмотку больше энергии.

Отсюда главное правило: во сколько раз витков больше, во столько раз больше напряжение.

U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = k,

где U — напряжение, N — число витков, а k называют коэффициентом трансформации.

Вид	Витки	Напряжение	Ток
Понижающий (k > 1)	Во вторичной меньше	Понижается	Возрастает
Повышающий (k < 1)	Во вторичной больше	Повышается	Уменьшается

Мощность при этом почти не меняется: U₁ · I₁ ≈ U₂ · I₂. Повысили напряжение в 10 раз — ток уменьшился примерно в 10 раз. КПД трансформаторов очень высок: у крупных в тепло уходит около процента энергии и меньше, у маленьких бытовых — заметно больше, поэтому они ощутимо нагреваются. Потери складываются из нагрева провода обмоток током и нагрева сердечника от перемагничивания и остаточных вихревых токов.

Где стоят трансформаторы

Путь электричества от станции до розетки. Генератор электростанции даёт напряжение порядка 10–20 тысяч вольт. Повышающий трансформатор поднимает его до сотен тысяч вольт, и ток уходит в линии электропередачи. Зачем? Потери на нагрев проводов растут с квадратом силы тока. Высокое напряжение позволяет передать ту же мощность меньшим током и не греть впустую провода на сотни километров. Потом на подстанциях понижающие трансформаторы шаг за шагом снижают напряжение, и последний из них — в трансформаторной будке во дворе — даёт то напряжение, которое приходит в дом: 220 вольт в розетке (по современному стандарту — 230 В). Как устроена сама розетка, рассказано в статье об устройстве розетки. Откуда берётся электричество в начале этой цепочки, объясняет статья о том, как работает АЭС.

В быту.

• Старые зарядки и блоки питания — тяжёлые, с трансформатором на 50 Гц внутри. Современные зарядки лёгкие: в них сетевое напряжение сначала выпрямляется, потом превращается в ток высокой частоты, и трансформатор на такой частоте получается крошечным. Как выбрать зарядку, рассказано в статье о том, как выбрать зарядное устройство для телефона.
• Микроволновка — в ней стоит высоковольтный трансформатор, повышающий 220 В до нескольких тысяч вольт для магнетрона.
• Сварочный аппарат — понижает напряжение и даёт очень большой ток для дуги.
• Понижающие трансформаторы на 12 В — для ламп и подсветки в ванных, где опасно высокое напряжение.

Чем трансформатор отличается от похожих устройств

От генератора. Генератор превращает механическое вращение в электричество. Трансформатор энергию не вырабатывает, он только меняет напряжение уже существующего переменного тока.

От выпрямителя и блока питания. Трансформатор работает только с переменным током и переменный же выдаёт. Чтобы получить постоянный ток для электроники, после трансформатора ставят выпрямитель — диоды.

От автотрансформатора. В автотрансформаторе одна обмотка с отводами: часть витков общая для входа и выхода. Он проще и легче, но вход и выход электрически связаны. Школьный ЛАТР — такой автотрансформатор с подвижным контактом, который плавно меняет напряжение.

От стабилизатора. Трансформатор повторяет все скачки сети в пропорции. Стабилизатор, наоборот, следит за напряжением и выравнивает его.

Интересные факты

• Гул в сто герц. Сердечник от переменного поля чуть-чуть меняет размеры, и листы вибрируют с частотой 100 раз в секунду. Это тот самый ровный гул трансформаторной будки.
• Почему трансформатор не любит постоянный ток. Если подать на него постоянное напряжение, магнитное поле не меняется, индукции нет, а ток в первичной обмотке ограничен лишь сопротивлением провода. Обмотка перегреется и сгорит.

Любой трансформатор под напряжением опасен, а трансформаторы подстанций — смертельно. Их ремонт и обслуживание выполняют только электрики с допуском.

Как ответить на уроке

План ответа:

1. Трансформатор — устройство для повышения или понижения переменного напряжения.
2. Состоит из замкнутого стального сердечника и двух обмоток — первичной и вторичной.
3. Принцип работы — электромагнитная индукция: переменный ток первичной обмотки создаёт переменный магнитный поток, который наводит ЭДС во вторичной.
4. Коэффициент трансформации: k = U₁ / U₂ = N₁ / N₂. При k > 1 трансформатор понижающий, при k < 1 — повышающий.
5. Применение: передача электроэнергии на большие расстояния, блоки питания, сварка.

Вопросы и задачи для самопроверки:

• В первичной обмотке 1000 витков, во вторичной — 50. Напряжение сети 220 В. Каким будет напряжение на выходе? k = 1000 / 50 = 20, U₂ = 220 / 20 = 11 В. Трансформатор понижающий.
• Почему сердечник собирают из тонких изолированных листов? Чтобы уменьшить вихревые токи и нагрев сердечника.
• Зачем повышать напряжение перед линией электропередачи? Чтобы при той же мощности уменьшить ток и потери на нагрев проводов.