Ель работы: исследовать преобразование переменного электрического тока с помощью трансформатора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

ель работы: исследовать преобразование переменного электрического тока с помощью трансформатора.

Приборы и принадлежности:

1. Источник переменного тока

2. Катушка 400 витков

3. Катушка 1600 витков

4. Железный сердечник

5. Проектор.

Краткая теория

Электрический ток никогда не получил бы такого ши­рокого применения, если быего нельзя было преобразовы­вать почти без потерь энергии.

Назначение трансформаторов. ЭДС мощных генерато­ров электростанций довольно велика. Между тем в практи­ка чаще всего нужно не слишком высокое напряжение.

Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы бы­ла использованы в 1878 г. рус­ским ученым П.Н.Яблочко­вым для питания изобретенных им электрических свечей — но­вого в то время источника света.

Устройство трансформатора.Транс­форматор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пла­стин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными об­мотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устрой­ства, потребляющие электроэнергию, называется вторич­ной.Условное обозначение трансформатора приведено на рисунке.

Трансформатор на холостом ходу.Действие трансфор­матора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали концент­рирует магнитное поле, так что магнитный поток сущест­вует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно за­кону Фарадея оно определяется формулой

где — производная потока магнитной индукции по вре­мени.

В первичной обмотке, имеющей витков, полная ЭДС индукции равна . Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции равна ( — число витков этой обмотки). Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформато­ра мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль на­пряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

.

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

.

Мгновенные значения ЭДС и изменяются синфазно (одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль). Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений и этих ЭДС и отно­шением действующих значений напряжений и :

Величина К называется коэффициентом трансформа­ции.Он равен отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора. При К > 1 транс­форматор является понижающим, а при К < 1 — повы­шающим.

Работа нагруженного трансформатора.Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформа­тор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создаст в сердечнике свой пере­менный магнитный поток, который будет уменьшать изме­нения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока, казалось бы должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной обмотке. Это, одна­ко, не произойдет, так как . Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автома­тически увеличится сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки про­исходит в соответствии с законом сохранения энергии: от­дача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

,

отсюда

.

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз умень­шаем силу тока (и наоборот).

Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на на­пряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент трансформации?

2. Что понижает и что повышает понижающий трансформатор? Пояснить.

3. Каково назначение сердечника в трансформаторе?

4. Почему при замыкании одного витка обмотки трансформатор выходит их строя?

5. Что произойдет с трансформатором, рассчитанным на напряжение первичной цепи 110 В, если включить его в цепь постоянного тока того же напряжения?

6. Почему происходит потеря энергии в трансформаторе?