Принцип роботи трансформатора

ПЛАН

1 Електромагнітні коливання.

2 Рівняння гармонічних коливань у контурі.

3 Затухаючі коливання. Автоколивання.

4 Вимушені електромагнітні коливання. Змінний струм.

1 ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ — взаємозв’язані коливання електричного (Е) і магнітного (В) полів, які становлять єдине електромагнітне поле.

Вільними електромагнітними коливаннями називають такі, які здійснюються без зовнішньої дії за рахунок раніше нагромадженої енергії. Найпростіша система, в якій можуть відбуватися вільні електромагнітні коливання, що складається з котушки і конденсатора, приєднаного до її кінців називається – коливальним контуром.

В коливальному контурі енергія електричного поля зарядженого конденсатора періодично перетворюється в енергію магнітного поля струму. Коли «немає опору», повна енергія електромагнітного поля залишається незмінною, коливання незатухаючі.

Вільні коливання — затухаючі. Щоб у реальній коливальній системі збудити незатухаючі коливання, треба компенсувати втрати енергії.

Коливання, що виникають під дією зовнішньої ЕРС, яка періодично змінюється, називаються вимушеними електромагнітними коливаннями.

2 РІВНЯННЯ ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ У КОНТУРІ. Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями наштовхує на припущення, що електромагнітні коливання в контурі теж мають відбуватися за гармонічним законом.

Із закону збереження енергії випливає, що повна електромагнітна енергія контуру, що дорівнює сумі енергій магнітного і електричного полів, з часом не змінюється, якщо опір контуру R = 0.

Фізичний зміст полягає у тому, що за модулемшвидкості зміни енергій однакові, а знак «мінус» вказує на те, що коли одна енергія збільшується, то друга — зменшується.

Згадаємо, що рівняння такого виду описують гармонічні коливання фізичної величини (в даному випадку електричного заряду). Розв’язком

За гармонічним законом змінюється не тільки заряд на обкладках конденсатора, а й напруга і сила струму в контурі.

Коливання заряду (напруги) і струму в контурі зсунуті за фазою на , отже струм досягає максимального значення в ті моменти, коли заряд (напруга) на обкладках конденсатора дорівнює нулю і навпаки.

3 ЗАТУХАЮЧІ КОЛИВАННЯ. АВТОКОЛИВАННЯ. У реальних коливальних системах за рахунок зміни енергії коливального руху виконується робота проти сил тертя й опору. Реальний коливальний контур має омічний опір, тому енергія, запасена раніше в контурі, безперервно витрачається на виділення тепла. Внаслідок цього амплітуда коливань поступово зменшується і коливання в контурі затухають за експоненціальним законом.

Коливання, амплітуда яких з часом зменшується, називають затухаючими. Практично всі вільні коливання затухаючі і тому вони не гармонічні. Якщо коливання затухають повільно, то можна користуватись поняттями, введеними для незатухаючих коливань.

В механіці для швидкого припинення коливань застосовують спеціальні пристрої, які значно збільшують сили опору в коливальній системі. Наприклад, у транспортних засобах використовують спеціальні амортизатори, які гасять коливання кузова, зумовлені нерівностями дороги.

Щоб дістати незатухаючі електромагнітні коливання в коливальному контурі, потрібно до контура ввімкнути джерело змінної ЕРС, але можна їх підтримати за рахунок здатності коливальної системи самій регулювати надходження енергії від постійного зовнішнього джерела. Такі системи називаються автоколивальними, а коливання (без впливу зовнішніх періодичних сил) — автоколиваннями. Частота і амплітуда автоколивань визначається властивостями самої системи. Прикладом автоколивальної системи є годинник з маятником, заводною пружиною або з електричним живленням, електричний дзвінок з преривачем, свисток, серце і легені людини.

4 ВИМУШЕНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ. ЗМІННИЙ СТРУМ. Є два способи утворення незатухаючих коливань: 1) автоколивання; 2) вимушені електромагнітні коливання — коливання, що виникають під дією зовнішньої періодично змінної ЕРС.

Змінний струм — вимушені коливання електричних зарядів у провіднику під дією прикладеної змінної ЕРС. Особливо важливими є струми, ЕРС яких змінюється за гармонічним законом sin чи cos. Саме такі змінні струми виробляють генератори на електростанціях. Тому ознайомимось зі звичайним способом отримання синусоїдальної ЕРС, який використовується для одержання змінного електричного струму.

Щоб зрозуміти принцип дії генератора, звернемося до досліду. Візьмемо рамку, що складається з кількох витків дроту, і обертатиме її в магнітному полі постійного магніту (рис.).

У колі змінного синусоїдального струму напруга і сила струму постійно змінюються. Які значення сили струму чи напруги прийняти за характеристику цього струму? Середні значення сили струму і напруги за період обертання дорівнюють нулю і не можуть служити їх характеристиками. Можна, звичайно користуватись амплітудними значеннями, але більша частина електровимірювальних приладів реагує на усереднену дію змінного струму, тому доцільно ввести так звані діючі (ефективні) значення напруги і сили змінного струму.

Діючим значенням сили струму I_д називається така величина сили постійного струму, який виділяє у провіднику таку ж кількість енергії

Оскільки напруга 220 В — діюча, то максимальне значення напруги, яка буде на оголеному дроті в кімнаті, . Це дуже небезпечна для життя людини напруга!

ЕЛЕКТРИЧНИЙ РЕЗОНАНС — різке зростання амплітуди вимушених електричних коливань внаслідок збігу (наближення) частоти зовнішнього періодичного впливу з частотою власних коливань у контурі ₀:

Згідно із формулою закону Ома для кола змінного струму

якщо індуктивний опір кола дорівнює ємнісному

то в колі настане резонанс, при цьому реактивний опір кола дорівнює нулю. Повний опір кола дорівнює активному опору. Тоді закон Ома набере вигляду

Чим менший опір контуру, тим вища резонансна крива. Коли

ТРАНСФОРМАТОРИ. ВИРОБНИЦТВО, ПЕРЕДАЧА ТА ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

ПЛАН

1 Призначення і будова трансформаторів.

2 Типи трансформаторів.

4 Передача електроенергії.

1 ПРИЗНАЧЕННЯ І БУДОВА ТРАНСФОРМАТОРІВ. Трансформатори (Тр.) — пристрої для зміни величини сили струму і напруги змінного струму при незмінній частоті.

Складаються Тр. З осердя замкненої форми, що виготовлене із м’якого феромагнетика, та двох (іноді більше) обмоток — первинної та вторинної. Первинна обмотка — та, що з’єднана з джерелом змінної напруги, вторинна — що приєднана до споживача.

Винайшов Тр. Яблочков у 1876р. для живлення дугових лампочок-свічок. У 1882р. Усагін підвищив ККД, придумавши розімкнене осердя з залізного дроту, а брати Гопкінсони завершили винахід, замкнувши осердя.

Осердя набирається з тонких ізольованих листів трансформаторної сталі для боротьби зі струмами Фуко.

2 ТИПИ ТРАНСФОРМАТОРІВ.

За призначенням:

1) силові, які застосовують при передаванні і розподіленні електроенергії для живлення промислового та побутового навантаження;

2) вимірювальні, які застосовують для живлення електровимірю­вальних приладів;

3) спеціальні (зварювальні, випробувальні, для рентгенівських апаратів у медицині).

За конструкційними особливостями:

1) автотрансформатори (в яких частина первинної обмотки є вторинною, або навпаки);

2) двообмоткові; 3) багатообмоткові.

За кількістю фаз: 1) однофазні; 2) трифазні; 3) багатофазні.

За способом охолодження: 1) сухі (з повітряним охолодженням);

2) масляні (використовують мінеральне масло).

За формою магнітопроводу: 1) стержневі; 2) броньові.

3 ПРИНЦИП РОБОТИ ТРАНСФОРМАТОРА. Після подання на вхід трансформатора змінної напруги U₁ у міру наростання струму на первинній обмотці буде зростати і магнітний потік в осерді, яке концентрує силові лінії магнітного поля в собі, забезпечуючи рівність магнітних потоків в обох обмотках. Зміна магнітного потоку збуджує у витках котушки ЕРС самоіндукції. Як тільки ЕРС самоіндукції досягне величини прикладеної напруги, зростання струму в первинному колі припиниться. Таким чином, у колі первинної обмотки діятимуть прикладена напруга U₁ і ЕРС самоіндукції де N₁- кількість витків у первинній обмотці, е – ЕРС, що виникає в одному витку. U₁ більше від на величину спаду напруги в обмотці:

Змінний магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки, збуджує в кожному з них таку ж за величиною ЕРС, як і в кожному витку первинної обмотки. Аналогічно Якщо вторинна обмотка розімкнена, тобто I₂ = 0 (холостий хід), то . Технічні трансформатори конструюють

так, щоб обмотки трансформатора мали невеликий активний опір, але велику індуктивність. Оскільки Число k називають коефіцієнтом трансформації. Якщо k > 1 (N₁ > N₂) — трансформатор знижувальний, якщо k < 1 (N₁ < N₂) — підвищувальний.

Якщо трансформатор навантажений, то спадом напруги у вторинній обмотці порівняно з ЕРС нехтувати не можна, тому (U₂ менша від , бо частина ЕРС витрачається на подолання опору R₂). Враховуючи, що ККД трансформаторів часто перевищує 90% і доходить до 99%, можна приблизно порівняти потужності в обох обмотках і знайти співвідношення сил струмів. звідки

Втрати енергії в Тр. Обумовлені:

1) перемагнічуванням осердя;

2) струмами Фуко;

3) нагріванням провідників обмоток.

4 ПЕРЕДАЧА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ. За допомогою трансформаторів електроенергію можна передавати на великі відстані, пристосовуючи її до потреб споживача. Але проблема її економної передачі на велику відстань не повністю вирішена. Для передачі нині підвищують напругу для зменшення втрат електроенергії по лініях електропередач. (Втрати прямо пропорційні квадрату сили струму, а щоб зменшити силу струму, треба при тій же потужності збільшити напругу). Дуже високі напруги неможливі через пробої повітря біля поверхні дротів у погану погоду (коронний розряд) і через збільшення ризику пробою на землю. Фізики розробляють принципово нові види ліній електропередач: надпровідні з високочастотними струмами в тонкостінних вакуумних трубках (замість суцільних проводів) з потужним потоком електронів всередині.

Рис. Схема передачи тока от электростанции до потребителя и распределения его между потребителями

Слід бути особливо обережними біля електрощитів будинків, бо напруга між окремими фазами трифазного струму перевищує

УТВОРЕННЯ І ПОШИРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ, ДОВЖИНА І ЧАСТОТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ХВИЛІ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ В ПРИРОДІ І ТЕХНІЦІ

Дата добавления: 2014-10-23