Вы приобрели холодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан на напряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходное положение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобрести трансформатор.

Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобре­тенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Москов­ского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочны­ми обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первич­ной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторич­ной.

Рис.1 Рис.2

Схема устройства трансформатора с двумя обмотками при­ведена на рисунке 2, а принятое для него условное обозначе­ние — на рис. 3.

Рис. 3.

Действие трансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. При прохождении переменного тока по первич­ной обмотке в железном сердечнике появляется переменный маг­нитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t

Если Ф = Ф0 соsωt, то

е = ω Ф0 sinωt, или

е = E0 sinωt ,

где E0= ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индук­ции e1 равна п1е.

Во вторичной обмотке полная ЭДС. е2 равна п2е, где п2 - чис­ло витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

e1 е2 = п1 п2. (1)

Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u1 + e1 = i1 R1, где R1 - активное сопротивление обмотки, а i1 - сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего урав­нения. Обычно активное сопротивле­ние обмотки мало и членом i1 R1 можно пре­небречь. Поэтому

u1 ≈ -

e1. (2)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:

u2 ≈ - e2. (3)

Так как мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением дей­ствующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U1 и U2.

U1/U2 = E1/E2 = n1/ n2= k. (4)

Величина k называется коэффициентом трансформации. Ес­ли k>1, то трансформатор является понижающим, при k<1 - повышающим.

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответ­ственно связь между U1 и U2 становится более сложной, чем в уравнении (4).

Согласно закону сохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи:

U1I1 = U2I2, (5)

где I1 и I2 — действующие значения силы в первичной и вто­ричной обмотках.

Отсюда следует, что

U1/U2 = I1/I2 . (6)

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора на­пряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем си­лу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) вы­полняются приближенно. Однако в современных мощных транс­форматорах суммарные потери не превышают 2—3%.

В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, — кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.