Человек без инженерного образования, на вопрос о том, что такое электрическая сеть, сходу назовет несколько характерных ее составных частей, среди которых практически обязательно будет упомянут трансформатор. Если с проводами и розетками такой человек постоянно сталкивается дома, то о трансформаторе он знает по трансформаторной будке и по тому характерному гудению, которое раздается из-за закрытых дверей.
Так почему же этот компонент электрической сети так популярен и как он работает? Вторая часть вопроса далеко не лишняя т.к. трансформатор не имеет интуитивно понятных и привычных движущихся деталей.
Основные физические процессы в трансформаторе
В основе электрической сети любого назначение лежит использование электрической энергии для совершения механической работы (силовая электротехника) и передачи информации (электросвязь). Данная энергия может существовать в виде двух полей: электрического и магнитного.
Электрическое и магнитное поле тесно связаны между собой. Известно, что в металле имеется большое количество свободных электронов, которые определяют его высокую проводимость. Если металлический предмет провести через магнитное поле, что вместе с ним перемещаются электроны, что означает возникновения электрического тока. Важно при этом то, что данный процесс является обратимым, т.е. электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле.
Теперь представим себе, что в некой паре проводов 1 -2 имеется электрической ток I. Тогда при условии того, что этот ток I является переменным, можно добиться появления тока и/или напряжения в другой паре проводов 3 – 4 при условии того, что эти пары взаимодействуют друг с другом через электрическое или/или магнитное поля. На рисунке 1 этот процессы изображены в схематической форме.
Таким образом, появляется возможность реализации связи двух разных контуров протекания тока без непосредственного их соединения друг с другом.
Первичную (проводники 1 и 2) и вторичную (проводники 3 и 4) цепи удобно выполнить в виде обмоток. Тогда соотношение между токами и напряжениями в первичной и вторичной цепях полностью определяется количеством витков первичной и вторичной обмоток, что, в свою очередь, означает возможность создания трансформатора (преобразователя) тока и напряжения.
Кроме того, сам процесс трансформации удобно организовать через магнитную составляющую электромагнитного поля.
Увеличение эффективности функционирования трансформатора
В процессе переноса электромагнитной энергии из первичной обмотки во вторичную участвуют только те силовые линии магнитного поля, которые пересекают витки вторичной обмотки. С учетом этой особенности в конструкцию трансформатора вводят т.н. сердечник из электротехнической стали, который создает для магнитного поля заметно меньшее сопротивление по сравнению с воздухом.
В результате силовые линии магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, проходят в основном через сердечник и взаимодействуют со вторичной обмоткой, рисунок 2. Этим, кстати, объясняется второе название сердечника как магнитопровода.
Конструкция сердечника
Первые образцы трансформаторов с сердечником имели значительные потери, которые вызывались т.н. вихревыми токами. Они возникали из-за того, что переменное магнитное поле генерирует токи не только во вторичной обмотке, но и в самом сердечнике.
Для подавления этого нежелательного эффекта сердечник набирают из тонких пластин, которые изолировались по плоскости прилегания. Рисунок 3 схематически демонстрирует подавление вихревых токов при переходе на такую конструкцию.
P.S. Для расширения кругозора и возможного дальнейшего чтения рекомендую почитать свою статью - https://www.asutpp.ru/transformator-prostymi-slovami.html
