Transformator – działanie i zastosowania
Fizyka
Zestaw wyjaśnia, czym jest transformator, dlaczego działa tylko z prądem przemiennym i jak wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Znajdziesz tu najważniejsze pojęcia, typowe zastosowania oraz pytania pomagające przygotować się do sprawdzianu lub matury.
1.Transformator
Urządzenie elektryczne, które za pomocą indukcji elektromagnetycznej zmienia napięcie prądu przemiennego. Składa się zwykle z dwóch cewek na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym.
2.Uzwojenie pierwotne
Cewka transformatora podłączona do źródła prądu przemiennego. To w niej zmieniający się prąd wytwarza zmienne pole magnetyczne.
3.Uzwojenie wtórne
Cewka, w której na skutek zmiennego pola magnetycznego indukuje się napięcie. To z niej energia jest przekazywana do odbiornika.
4.Rdzeń ferromagnetyczny
Element wykonany z materiału dobrze przewodzącego pole magnetyczne. Kieruje strumień pola między uzwojeniami i zwiększa skuteczność działania transformatora.
5.Indukcja elektromagnetyczna
Zjawisko powstawania napięcia w przewodniku, gdy zmienia się pole magnetyczne obejmujące ten przewodnik. Jest podstawą działania transformatora.
6.Prąd przemienny
Prąd, którego natężenie i kierunek zmieniają się w czasie. Taki prąd wytwarza zmienne pole magnetyczne potrzebne do działania transformatora.
7.Transformator podwyższający
Transformator, który na wyjściu daje większe napięcie niż na wejściu. Stosuje się go wtedy, gdy trzeba przesłać lub uzyskać energię elektryczną pod wyższym napięciem.
8.Transformator obniżający
Transformator, który zmniejsza napięcie na wyjściu względem napięcia wejściowego. Jest powszechny w zasilaczach urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
9.Sieć elektroenergetyczna
Układ urządzeń służących do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Transformatory są w niej potrzebne do zmiany napięcia na różnych etapach drogi energii.
Notatka
Czym jest transformator
Transformator to urządzenie elektryczne, które służy do zmiany napięcia prądu przemiennego. Nie wytwarza energii elektrycznej z niczego, ale przekazuje ją z jednego obwodu do drugiego. Działa dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.
Najprostszy transformator składa się z dwóch cewek, czyli uzwojenia pierwotnego i uzwojenia wtórnego, oraz wspólnego rdzenia ferromagnetycznego. Uzwojenie pierwotne podłącza się do źródła napięcia, a uzwojenie wtórne do odbiornika.
Zapamiętaj
Transformator działa tylko wtedy, gdy pole magnetyczne zmienia się w czasie, dlatego wymaga prądu przemiennego.
Zasada działania krok po kroku
Po doprowadzeniu do uzwojenia pierwotnego prądu przemiennego w cewce powstaje zmienne pole magnetyczne. To pole przenika przez rdzeń i obejmuje także uzwojenie wtórne. Ponieważ pole zmienia się w czasie, w uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie.
W ten sposób energia elektryczna zostaje przekazana z jednego obwodu do drugiego bez bezpośredniego połączenia elektrycznego między uzwojeniami. Kluczowe są więc trzy elementy: zmienny prąd, zmienne pole magnetyczne i indukowane napięcie.
Częstym błędem jest mylenie transformatora z prostownikiem. Transformator sam nie zamienia prądu przemiennego na stały; jego główną funkcją jest zmiana wartości napięcia.
Dlaczego potrzebny jest prąd przemienny
Jeżeli do uzwojenia pierwotnego doprowadzimy prąd stały, to po krótkiej chwili pole magnetyczne przestaje się zmieniać. W takiej sytuacji w uzwojeniu wtórnym nie indukuje się użyteczne napięcie, więc transformator nie spełnia swojej roli.
Prąd przemienny ma tę cechę, że jego wartość i kierunek zmieniają się w czasie. Dzięki temu pole magnetyczne w rdzeniu również jest zmienne, a właśnie to jest warunkiem zajścia indukcji elektromagnetycznej.
Ważne
Nie wystarczy samo istnienie pola magnetycznego — w transformatorze musi ono zmieniać się w czasie.
Budowa i rola poszczególnych części
Uzwojenie pierwotne to cewka połączona ze źródłem energii elektrycznej. To w niej prąd wytwarza zmienne pole magnetyczne. Uzwojenie wtórne to cewka, w której pojawia się napięcie przekazywane dalej do odbiornika.
Bardzo ważny jest rdzeń ferromagnetyczny. Jego zadaniem jest ułatwienie przepływu pola magnetycznego między uzwojeniami. Dzięki rdzeniowi więcej linii pola obejmuje obie cewki, więc przekazywanie energii jest skuteczniejsze.
W praktyce transformatory mają różne rozmiary: od małych elementów w zasilaczach po bardzo duże urządzenia w stacjach energetycznych. Niezależnie od wielkości ich działanie opiera się na tej samej zasadzie fizycznej.
Rodzaje transformatorów
W zależności od zastosowania wyróżnia się transformatory podwyższające i transformatory obniżające. Transformator podwyższający daje na wyjściu większe napięcie niż na wejściu. Transformator obniżający zmniejsza napięcie do poziomu potrzebnego odbiornikowi.
W szkolnym ujęciu najważniejsze jest rozumienie ich funkcji, a nie szczegółowe obliczenia. W energetyce napięcie często trzeba najpierw podwyższyć do przesyłu na duże odległości, a później obniżyć przed dostarczeniem energii do domów i urządzeń.
Przykład
Ładowarka do telefonu zawiera układy, których zadaniem jest obniżenie wysokiego napięcia sieciowego do wartości odpowiedniej dla małego urządzenia.
Zastosowania transformatorów
Najważniejszym obszarem zastosowań transformatorów jest sieć elektroenergetyczna. Są one obecne w elektrowniach, stacjach transformatorowych i urządzeniach końcowych. Umożliwiają dostosowanie napięcia do etapu przesyłu i do potrzeb odbiorcy.
Transformatory stosuje się także w wielu urządzeniach codziennego użytku, zwłaszcza w różnych zasilaczach. Spotyka się je w sprzęcie elektronicznym, systemach ładowania oraz tam, gdzie trzeba bezpiecznie dopasować napięcie do pracy urządzenia.
W zadaniach szkolnych warto umieć wyjaśnić, że transformator jest praktycznym wykorzystaniem indukcji elektromagnetycznej oraz że jego działanie jest związane z prądem przemiennym i rdzeniem ułatwiającym przekazywanie pola magnetycznego.
Quizy w tym zestawie
16 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu