Przeczytaj - Zasada działania transformatora i przykłady jego zastosowania

RzIgDklzoa0zq

To ciekawe

Czy wiesz, że codziennie i to niejednokrotnie masz do czynienia z transformatorami? Warto to sobie uświadomić i dowiedzieć się, czym jest transformator i jakie są jego zastosowania.

Być może już wiesz, że transformator to urządzenie, które obniża albo podwyższa napięcie elektryczne. Jeśli przyjrzysz się dokładnie ładowarce swojego telefonu, przeczytasz napis: $U_{we} = 230 V$ , $U_{wy} = 5 V$ . Oznacza to, że możesz podłączyć ładowarkę do gniazdka sieci energetycznej (i to jest napięcie wejściowe $230 V$ ), a uzyskujesz napięcie (wyjściowe) znacznie mniejsze, równe $5 V$ , bo takie jest potrzebne do ładowania akumulatora telefonu.

Na pewno znasz widok przesyłowych linii energetycznych, tzw. linii wysokiego napięcia. Na wyjściu z elektrowni transformatory podwyższają napięcie na przykład do $110000 V$ . Tak wysokie napięcie jest konieczne w celu zapewnienia jak najmniejszych strat energetycznych występujących podczas przepływu prądu na duże odległości. Następnie, gdy energia zostanie już dostarczona do miasta, napięcie jest obniżane do takiego, którego używasz w domu ( $230 V$ ). Bez transformatorów przesyłanie energii elektrycznej np. do domów byłoby niemożliwe, a używanie napięcia $110 kV$ w urządzeniach domowych - bardzo niebezpieczne.

Twoje cele

W tym e‑materiale:

dowiesz się, jak jest zbudowany i jak działa transformator,
poznasz główne zastosowania transformatora,
zrozumiesz, dlaczego przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości wymaga podwyższenia napięcia w linii przesyłowej,
zastosujesz zdobytą wiedzę w celu obliczenia wartości przekładni transformatora, który ma zmienić napięcie i natężenie prądu.

Warto przeczytać

Transformatortransformator (ang. transformer)Transformator w swoim działaniu wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznejzjawisko indukcji elektromagnetycznej, czyli wytwarzanie w obwodzie SEM indukcji, wtedy gdy zmienia się strumień indukcji magnetycznej przez ten obwód. Żeby zrozumieć, jak działa transformator, należy poznać jego budowę.

Na stalowy rdzeń transformatora nawinięte są dwa uzwojenia: pierwotne i wtórne. Jeśli w uzwojeniu pierwotnym będzie płynął prąd przemiennyprąd przemienny, to wytworzy on we wspólnym rdzeniu zmienne pole magnetyczne (wartość indukcji magnetycznej $B$ jest wprost proporcjonalna do wartości natężenia prądunatężenie prądu (ang. current)natężenia prądu $I$ ; kierunek wektora indukcji magnetycznej jest zależny od kierunku przepływu prądu). To zmienne pole magnetyczne spowoduje, że zmienny będzie strumień pola magnetycznego przez uzwojenie wtórne, a więc w uzwojeniu wtórnym wytworzy się SEM indukcji, czyli napięcienapięcie elektryczne (ang. voltage)napięcie wtórne na końcach tego uzwojenia.

R4Y4uEqlGRU9E

Rys. 1. przedstawia schemat transformatora w postaci kwadratowej ramki ustawionej pionowo z uzwojeniami na lewym i prawym boku. Ramka w kolorze jasnoszarym, widoczna z boku od góry ma przekrój kwadratowy i jest podpisana na dolnym boku: rdzeń transformatora. Na przedniej ściance umieszczono narysowano zieloną przerywaną linią kwadrat i podpisano: strumień magnetyczny, grecka wielka litera fi. Na lewym ramieniu rdzenia nawinięty jest przewód w kolorze czerwonym wraz z opisem, od góry: uzwojenie pierwotne (na czerwono), liczba zwojów n1, prąd pierwotny I1, napięcie pierwotne U1. Na prawym ramieniu rdzenia nawinięty jest przewód w kolorze niebieskim wraz z opisem, od góry: uzwojenie wtórne (na czerwono), liczba zwojów n2, prąd pierwotny I2, napięcie pierwotne U2. — Rys. 1. Schematyczne przedstawienie transformatora
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

W najprostszym modelu transformatora stosunek obu napięć równy jest stosunkowi liczby zwojów na uzwojeniach,

\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{n_{2}}{n_{1}} l u b \frac{U_{w y}}{U_{w e}} = \frac{n_{2}}{n_{1}}

gdzie $U_{1}$ lub $U_{we}$ oznacza napięcie pierwotne (wejściowe), a $U_{2}$ lub $U_{wy}$ oznacza napięcie wtórne (wyjściowe), $n_{1}$ – liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym, $n_{2}$ – liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym.

Stosunek liczby zwojów na uzwojeniach, $k = \frac{n_{2}}{n_{1}}$ , nazywamy przekładnią transformatora.

Wynika stąd, że jeśli chcemy obniżyć wartość napięcia, to liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym musi być mniejsza niż w uzwojeniu pierwotnym. Ile razy mniejsza? Tyle, ile razy ma być mniejsze napięcie wyjściowe. Zatem w naszym przykładzie dotyczącym ładowarki telefonu komórkowego ok. 46 razy,

\frac{n_{2}}{n_{1}} = \frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{5 V}{230 V} = \frac{1}{46}

Podczas transformowania (zmieniania) napięcia zmienia się jednocześnie natężenie prądu, dlatego że w idealnym transformatorze (taki model tutaj przyjęliśmy) nie ma strat energetycznych i moc dostarczana do uzwojenia pierwotnego (z jakiegoś źródła) musi być równa mocy przekazanej do uzwojenia wtórnego,

P_{1} = P_{2}

Ponieważ moc prądumoc elektryczna (ang. electric power)moc prądu jest wyrażona poprzez iloczyn napięcia i natężenia prądu, oznacza to, że

U_{1} I_{1} = U_{2} I_{2}

skąd

\frac{I_{2}}{I_{1}} = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{n_{1}}{n_{2}}

Widzimy więc, że zwiększając napięcie w uzwojeniu pierwotnym k-krotnie, również k-krotnie zmniejszymy natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym. Ma to znaczenie przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości: straty energii w przewodach są wprost proporcjonalne do kwadratu wartości natężenia prądu. I dlatego w liniach przesyłowych panuje bardzo wysokie napięcie.

Ale czasem opłaca się działanie odwrotne: zmniejszenie napięcia skutkuje bowiem wzrostem natężenia prądu w obwodzie wtórnym. Ta możliwość zwiększania natężenia prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora jest wykorzystana w takich urządzeniach jak np. piec hutniczy, spawarka, lutownica czy zgrzewarka punktowa.

Słowniczek

transformator (ang. transformer)

urządzenie elektryczne podwyższające lub obniżające napięcie przemienne.

zjawisko indukcji elektromagnetycznej (ang.: electromagnetic induction)

wytwarzanie prądu indukcyjnego w obwodzie zamkniętym podczas zmiany strumienia pola magnetycznego przez ten obwód.

natężenie prądu (ang. current)

wielkość skalarna zdefiniowana jako stosunek wielkości ładunku elektrycznego przepływającego przez przekrój przewodnika do czasu, w którym ten ładunek przepłynął, oznaczamy je literą $I$ . Jednostką natężenia jest amper, $A$ .

napięcie elektryczne (ang. voltage)

wielkość skalarna odnoszona do dowolnych dwóch punktów obwodu elektrycznego lub do pola elektrycznego; równa stosunkowi pracy $W$ , wykonywanej przez siły pola elektrycznego przy przemieszczaniu ładunku elektrycznego $q$ wzdłuż pewnej krzywej $s$ (między 2 wybranymi punktami pola, np. A i B), do wartości tego ładunku: $U_{A B} = W / q$ . Oznacza się je literą $U$ , a jego jednostka to wolt, $V$ .

prąd przemienny (ang. alternate current)

prąd wywołany napięciem przemiennym, np. napięciem sinusoidalnie zmiennym: $U (t) = U_{0} \cdot s i n (ω t)$ .

moc elektryczna (ang. electric power)

energia elektryczna przypadająca na jednostkę czasu; tutaj: moc przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Oznaczenie $P$ nie różni się od stosowanego w mechanice. Jednostką jest oczywiście wat, $W$ .

Przemyśl

Zasada działania transformatora i przykłady jego zastosowania

To ciekawe

Warto przeczytać

Słowniczek