Трансформатор является наиболее распространенным и полезным при­менением индуцированной э.д.с. в од­ной катушке, изменением тока в другой. Трансформатор рассчитан на ис­пользование переменного тока. Сер­дечник трансформатора состоит из слоистого магнитного материала, ко­торый легко намагничивается и раз­магничивается, но становится очень сильным магнитом. Вокруг него намо­тана первичная катушка, а вокруг пер­вичной катушки намотана вторичная. Легче показать эти две катушки от­дельно, как на рисунке 1.

Когда переменная э.д.с. приложена к первичной катушке, то образуется переменное магнитное поле в сердеч­нике. Оно в свою очередь проходит через вторую катушку и индуцирует в ней также переменную э.д.с. По­скольку магнитное поле в каждой ка­тушке одинаково, э.д.с. в каждой ка­тушке пропорциональна числу витков в ней.

Отсюда:       V_в / V_п = N_в / N_п

V_вI_в = V_вI_в,

Vв /  V_п = I_в / I_п.

Следовательно, если напряжение по­вышается, то ток понижается и наобо­рот. Если требуется высокое напря­жение, то используется повышающий трансформатор; если же требуется большой ток, то используется пони­жающий трансформатор. Последний дает большую силу тока при низком напряжении, что часто предпочтитель­нее, чем использование сетевого на­пряжения, для получения большого тока.

Достаточно простые, но эффектив­ные эксперименты могут проводиться с комплектом деталей разборного трансформатора.

Вихревые токи

Маятник в форме алюминиевого листа может колебаться между полю­сами мощного электромагнита, как по­казано на рисунке 2. Когда ка­тушка электромагнита выключена, ма­ятник качается совершенно свободно, но когда электромагнит включен, то алюминиевый лист достаточно быстро приходит в состояние покоя. Если мо­нолитный лист на конце маятника за­менить на лист с прорезями и повто­рить эксперимент, то обнаруживается, что включение электромагнита не ока­зывает особого влияния на раскачи­вающийся маятник.

В монолитном листе индуцируется большой ток (вихревой ток), поскольку он движет­ся под прямым углом к магнитному полю. Этот индукционный ток гене­рирует магнитное поле, которое про­тивостоит приложенному магнитному полю и поэтому обладает большим тормозящим эффектом. Индуцирован­ная э.д.с. в каждой части листа с прорезями гораздо меньше, потому что значительно меньше площадь этих частей, а также больше и сопротивле­ние каждого отдельного зубца, поэто­му индуцированные вихревые токи малы и оказывают лишь очень не­большое влияние на движение листа.

Ранее мы писали, что подвижная катушка в гальванометре намотана на металлический сердечник. Когда этот сердечник движется в магнитном поле, в нем индуцируется достаточно большой ток, который противодей­ствует движению катушки. Поэтому катушка и указатель приходят в со­стояние покоя немедленно и не ко­леблются.

Причины потери КПД в трансформа­торе

1.  Утечка потока. Важно, чтобы весь генерированный первичной ка­тушкой магнитный поток проходил че­рез вторичную катушку. Это лучше всего достигается намоткой первичной катушки поверх вторичной и исполь­зованием «закрытого» (замкнутого в кольцо) железного якоря.

2.  Потери вследствие нагреватель­ного эффекта вихревых токов (потери в железе). Металлический сердечник является проводником, и магнитное поле непрерывно меняется. Следова­тельно, в 'нем индуцируется э.д.с. и соответственно ток. Если сердечник монолитен, то он действует как ка­тушка с одним витком и в нем инду­цируется очень большой ток. Нагре­вательный эффект пропорционален квадрату силы тока и поэтому доста­точно велик. Этот эффект значительно уменьшается применением наборного сердечника из пучка тонкой проволоки или тонких металлических листов (слоев), изолированных друг от друга. Тогда ток, индуцированный в каждом из них, очень мал и наблюдается лишь небольшой нагревательный эффект.

3. Потери «в меди». Они представ­ляют энергетические потери от нагрева проволоки в первичной и вторичной катушках (~ I²R).

4. Потери на гистерезис. Магнитное поле в сердечнике за секунду 50 раз ориентируется в одном направлении и 50 раз в противоположном. Соот­ветственно домены постоянно изменя­ют свою ориентацию. Энергия, необ­ходимая на эго, берется за счет посту­пающей.

Применения трансформаторов

Трансформатор имеет много при­менений. Повышающие трансформа­торы используются при передаче энер­гии в телевизорах, для работ рентге­новских трубок и пр. Когда необходи­мо напряжение постоянного тока, ис­пользуется выпрямитель на выходе. Понижающие трансформаторы ис­пользуются там, где необходим боль­шой ток, например в электропечах, при сварных работах и пр. Они также используются для освещения, для ра­боты небольших двигателей и пр., т. е. там, где не требуется большой выход энергии