32. Трансформаторы, устройство, назначение, виды. Коэффициент трансформации. Энергия магнитного поля. Передача электрической энергии на расстояние.

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. Впервые трансформаторы были сконструированы и введены в практику русским электротехни­ком П.Н. Яблочковым (1847—1894) и русским физиком И.Ф. Усагиным (1855—1919). Первичная и вторичная катушки (обмотки), имеющие соответственно N₁ и N₂ витков, укреплены на замкнутом железном сердечнике. Так как концы первичной обмотки присоединены к источнику переменного напряжения с э.д.с. , то в ней возникает переменный ток I₁, создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который практически полностью локализован в железном сердечнике и, следовательно, почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Изменение этого потока вызывает во вторич­ной обмотке появление э.д.с. взаимной индукции, а в первичной — э.д.с. самоиндукции.

Ток I₁ первичной обмотки определяется согласно закону Ома:

где R₁ — сопротивление первичной обмотки. Падение напряжения I₁R₁ на сопротивле­нии R₁ при быстропеременных полях мало по сравнению с каждой из двух э.д.с., поэтому

Э.д.с. взаимной индукции, возникающая во вторичной обмотке,

э.д.с., возникающая во вторичной обмотке,

где знак минус показывает, что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках проти­воположны по фазе.

Отношение числа витков N₂/N₁, показывающее, во сколько раз э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора больше (или меньше), чем в первичной, называется коэффициентом трансформации. Пренебрегая потерями энергии, которые в современных трансформаторах не пре­вышают 2% и связаны в основном с выделением в обмотках джоулевой теплоты и появлением вихревых токов, и применяя закон сохранения энергии, можем записать, что мощности тока в обеих обмотках трансформатора практически одинаковы: следовательно

т. е. токи в обмотках обратно пропорциональны числу витков в этих обмотках.

Если N₂/N₁>1, то имеем дело с повышающим трансформатором, увеличивающим переменную э.д.с. и понижающим ток (применяются, например, для передачи электро­энергии на большие расстояния, так как в данном случае потери на джоулеву теплоту, пропорциональные квадрату силы тока, снижаются); если N₂/N₁<1, то имеем дело с понижающим трансформатором, уменьшающим э.д.с. и повышающим ток (применя­ются, например, при электросварке, так как для нее требуется большой ток при низком напряжении).

Мы рассматривали трансформаторы, имеющие только две обмотки. Однако транс­форматоры, используемые в радиоустройствах, имеют 4—5 обмоток, обладающих разными рабочими напряжениями. Трансформатор, состоящий из одной обмотки, называется автотрансформатором. В случае повышающего автотрансформатора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается со всей обмотки. В понижа­ющем автотрансформаторе напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки.

33. Магнитный поток. Магнитные цепи. Закон Ома и Кирхгофа для магнитной цепи. Подъемная сила электромагнита.

Магни́тный пото́к — поток как интеграл вектора магнитной индукции через конечную поверхность . Определяется через интеграл по поверхности

при этом векторный элемент площади поверхности определяется как

где — единичный вектор, нормальный к поверхности.

Также магнитный поток можно рассчитать как скалярное произведение вектора магнитной индукции на вектор площади:

где α — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости площади.

Магнитный поток через контур также можно выразить через циркуляцию векторного потенциала магнитного поля по этому контуру

Магнитная цепь — последовательность взаимосвязанных магнетиков, по которым проходит магнитный поток.

При расчётах магнитных цепей используется почти полная формальная аналогия с электрическими цепями.

В схожем математическом аппарате также присутствует закон Ома, правила Кирхгофа и другие термины и закономерности.

Магнитная цепь и сопутствующий математический аппарат используется для расчётов трансформаторов, электрических машин, магнитных усилителей и т. П

Закон Ома и Кирхгофа для магнитной цепи.

Первый закон Кирхгофадля магнитной цепи:Сумма магнитных потоков, сходящихся в узле магнитной цепи, равна нулю:

Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи.

Сумма MДС магнитного контура равна сумме падений магнитных напряжений:

ЗАКОН ОМА ДЛЯ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ:Когда по катушке, состоящей из до витков, проходит ток I, то он возбуждает магнитный поток Ф, величина которого будет тем больше, чем больше будет число ампер-витков Iw. Произведение тока I на число витков w намагничивающая сила измеряется в амперах. Если взять соленоид, число витков которого равно 150, и пропустить по его обмотке ток 5 а, то число ампер-витков будет 5 x150 = 750 aw. Тот же магнитный поток можно получить, если намотать 1500 витков и пропустить по ним ток 0,5 а, так как 0,5 -1500 = 750 aw.

Это выражение можно представить в ином виде:

Ранее было получено выражение для магнитного потока соле­ноида

По своему строению эта формула напоминает формулу закона Ома для электрической цепи. Выражение, стоящее в знаменателе, называется магнитным сопротивлением и обозначается Rм.

Выражение для магнитного потока запишем теперь в следующем виде:

Таким образом, магнитный поток Ф пропорционален намагничиваю­щей силе F и обратно пропорционален магнитному сопротивлению R_м. Эту зависимость называют законом Ома для магнитной цепи.

Подъемная сила электромагнита.