Сьогодні все зав’язане на електроенергії: від інструментів, якими ми щось будуємо чи лагодимо, до місцин, де ми розважаємося. Здається, все заряджається, під’єднується чи очікує в черзі до розеток.
Ми користуємося електроенергією постійно (з доброї волі Укренерго, звісно). Ми часто сприймали як належне той факт, що струм прямує просто в наші будинки, поки не опиниться прямо тут, у стіні, біля ліжка, дивану чи кухонної поверхні.
І хоча люди загалом вже не так захоплюються цією дивовижною інфраструктурою, більшість з нас, мабуть, небагато знає про технологію, від якої залежить все. Йдеться про трансформатори, частину електромагнітного обладнання, яке полегшує подорож електрики від електростанції до розетки.
Без трансформаторів ми б не мали тих речей, до яких так звикли у щоденному житті. Насправді, у наших оселях не було б нічого електричного.
Ось чому нам потрібно знайти час, щоб дізнатися про ці прості дрібниці, всюдисущі геніальні вигадки. Тому що без них ми все ще жили б в умовах 1820-х років – чи близько того.
Ця стаття є частиною нашої серії про магнетизм та електромагнетизм. Тому що це фундаментальне явище, на якому засновані електричні трансформатори. Ви пам’ятаєте, що таке електромагнетизм? Якщо ні, перш ніж читати далі, перегляньте нашу статтю на цю тему.
Якщо так, то давайте продовжимо. Поговоримо про електричний трансформатор – один із найбільш недооцінених об’єктів, які у нас є.
Що таке трансформатор?
Увага, важливе питання: що ж таке, власне, трансформатор?
Простими словами, електричний трансформатор – це пристрій, який передає електричну енергію від одного ланцюга до іншого. Цікава річ – і це важливо для промисловості тощо – це те, що все відбувається без будь-якого металевого з’єднання між двома ланцюгами.
От і весь принцип. Це правда все, що робить трансформатор. Тим не менш, можливості цього пристрою надзвичайно великі – ми поговоримо про них детальніше далі. Саме в природі електромереж та електричних ланцюгів зв’язки між різними ланцюгами є вирішальними.
І це особливо вірно, коли ми говоримо про ланцюги, які потребують різної напруги. І це друга важлива річ, яку роблять трансформатори: вони дозволяють передавати струм від кола високої напруги до кола низької чи середньої напруги.
Як ви побачите, цей конкретний факт дійсно важливий.Майже так само, як фізика онлайн.
Розподіл і передача електроенергії
Але давайте спершу розглянемо роль трансформаторів у розподілі електроенергії.
Майже вся електроенергія у світі проходить через трансформатор принаймні в один момент свого життєвого циклу. Насправді дуже ймовірно, що вона проходить через декілька трансформаторів. Лише найменша частина електроенергії виробляється генераторами на місці, тому її не потрібно передавати.
Таким чином, трансформатори відіграють важливу роль у транспортуванні всієї тої енергії, яка потрапляє у звичайний будинок.
Розподіл електроенергії відбувається в дуже великих масштабах – вона перетинає країни, якщо не цілі континенти. Враховуючи, що електричний струм проходить такий довгий шлях від виробника до споживача, трансформатори часто використовують для розбиття цього ланцюга на менші частини. Це забезпечує більшу стабільність у лінії та дозволяє легше ізолювати проблемну ділянку в разі форс-мажорів.
Підвищуючі і понижуючі трансформатори
Найбільш поширеним використанням трансформаторів є їхня конкретна роль як пристроїв, що понижують або підвищують напругу. Вони забезпечують функціонування всієї електричної мережі та гарантують надходження електроенергії до вашого будинку.
Напруга проти струму
Справа в тому, що електрична мережа працює через передачу електричних струмів надзвичайно високої напруги.
Ні мережа електропередач у США, ні Укренерго, ні електромережі інших країн насправді не можуть використовувати високі струми. Загалом, чим вищий струм, тим менш ефективна передача. З вищими струмами виробляється більше тепла – і більше енергії втрачається, коли вона виділяється через проводи.
Струм – це швидкість потоку електричного заряду. Отже, чим вищий струм, тим швидше електрика проходить по дроту. І хоча це все добре, велика частина електричної енергії витрачається даремно, якщо передавати її на великі відстані.
Детальніше про це повідають уроки фізики із Superprof.
З іншого боку, напруга – або ЕРС, як її іноді називають, електрорушійна сила – це різниця потенціалів між двома різними точками дроту. Це електричний тиск, який дозволяє струму текти, бігти, йти дротами. Іншими словами, це кількість енергії, яка потрібна для передачі струму по дроту.
А тут, за посиланням, ще простими словами про різницю між струмом і напругою розказують…
Перетворення напруги
Отже, електричні мережі використовують неймовірно високу напругу, а не сильні струми. Але в цьому є очевидна проблема. У той час як електрику високої напруги набагато легше та ефективніше передавати, власне її використання набагато небезпечніше. Мати неймовірно високу напругу в усіх наших розетках було б не дуже розумно.
Таким чином, мережа використовує трансформатори, щоб «підвищити» напругу електроенергії перед передачею, а потім знову «знизити». Перш ніж її можна буде розповсюдити на місцевому рівні – і перш ніж вона досягне чиєїсь домівки – напругу потрібно значно знизити, оскільки напруга в національних проводах у тисячі разів вища за ту, яку зможе витримати ваш ноутбук чи тостер.
Так відбувається з усією нашою електричною енергією. Отже, ви бачите, наскільки ці трансформатори важливі для нашого життя.
У крайньому випадку вам допоможе фізика з нуля. Або приватний вчитель фізики Київ.
Як працюють трансформатори?
Ви вже знаєте, що саме роблять трансформатори. Але як вони роблять те, що роблять? Настав час дати відповідь на це питання. Спойлер: ви з’ясуєте, що відповідь буде тісно пов’язана із силою, яка називається електромагнетизмом.
Електромагнетизм — це поєднання або комбінація електричного струму та магнетизму; ці дві речі – дві сторони однієї медалі. І трансформатори працюють, використовуючи цей зв’язок.
Трансформатори насправді досить прості пристрої. У своїй найпростішій формі вони являють собою дві котушки дроту, намотані навколо феромагнітного сердечника. Уявіть собі, що це залізне кільце, на протилежних сторонах якого розташовані дві обмотки мідного дроту.
Струм проходить через одну з них і потрапляє в те, що ми називатимемо первинною обмоткою. Внаслідок дії магнітного поля електричного заряду зміни магнітного потоку залізного сердечника електризують вторинну обмотку з іншого боку. Простіше кажучи, це основа того, як ідеальний трансформатор буде працювати – через процес, який ми називаємо електромагнітною індукцією.
Закон Фарадея (названий на честь вченого, що відкрив електромагнітну індукцію, як ви побачите нижче) стверджує, що потрібно лише змінити кількість витків на вторинній котушці, і ви зміните напругу, яка з’являється у другому ланцюгу.
Фарадей і магнітний потік
Саме Майкл Фарадей відкрив принципи електромагнітної індукції, які стали центральними для технології трансформатора.
Він побудував собі маленький трансформатор точно так, як ми щойно описали вище. І, під’єднавши одну сторону до батареї, а іншу – до гальванометра, він помітив, що електричний заряд присутній у вторинному дроті лише тоді – і лише тоді – коли він підключав і потім від’єднував джерело живлення.
Це була істотна частина його відкриття. Коли в першому дроті електричний струм був стабільним, у другому електрики не спостерігалося. Потрібна була зміна електричного заряду. Саме ця зміна вплинула на зміну магнітного потоку в залізному ядрі, що дозволило передавати електрику.
Важливість змінного струму
Це відкриття пояснює, як сьогодні працюють трансформатори. Вони працюють лише зі змінним струмом – на відміну від постійного.
Тоді як постійний струм — це стабільний струм, який рухається лише в одному напрямку, змінний струм весь час змінює напрямок (це єдине, що в ньому є постійного). Це призводить до зміни магнітного потоку, що забезпечує передачу електричного струму через трансформатор – або, іншими словами, це дозволяє індукцію електрики у вторинному дроті.
Без цієї змінності магнітного поля в трансформаторі передача електрики взагалі не могла б відбутися.
Питань стало більше? Вам допоможе репетитор з фізики і поглибить ваше розуміння магнетизму . Індивідуальне навчання може допомогти вивчити магнітні поля, сили та їх практичне застосування, забезпечуючи глибокі знання цієї фундаментальної теми фізики.
Важливість електромагнетизму
Майкл Фарадей зробив це відкриття ще в 1830-х роках. І, хоча були спроби зробити процес просто більш ефективним, фундаментальні принципи трансформатора не змінилися ні на трохи – і ніколи не зміняться.
Ось так наявність трансформаторів свідчить про те, що електромагніти та електромагнетизм є одним із найважливіших відкриттів в історії нашого світу.
Тож вам краще переконатися, що ви вивчили цю тему. Тим більше, скоро вже підготовка до ЗНО з фізики.
Вам сподобалась ця стаття? Оцініть її!
Loading...
