W dzisiejszych czasach wszystko zależy od prądu – od narzędzi, na których pracujemy, po miejsca zapewniające rozrywkę. Wszystko jest zasilane prądem, na baterie, podłączone do sieci.
Z prądu korzystamy dosłownie cały czas. Dlatego przyjmujemy za oczywistość fakt, że trafia on prosto do naszego domu, dopóki nie znajdzie się w gniazdku obok naszego łóżka, sofy czy biurka.
I chociaż nie doceniamy już tego, jak niesamowita jest ta infrastruktura, wielu z nas prawdopodobnie nie wie zbyt wiele o technologii, od której to wszystko jest zależne. Mowa tutaj o transformatorze, elemencie wyposażenia elektromagnetycznego, który ułatwia przepływ prądu z elektrowni do gniazdka.
Bez niego, nasze codzienne życie wyglądałoby zupełnie inaczej. Tak naprawdę w naszych domach nie mielibyśmy prądu w ogóle.
Dlatego właśnie musimy poświęcić czas na poznanie tych prostych, wszechobecnych urządzeń. Bez nich nadal żylibyśmy w warunkach lat dwudziestych XIX wieku.
Ten artykuł jest częścią naszej serii na temat magnetyzmu i elektromagnetyzmu. Bez tego fundamentalnego zjawiska nie potrzebowalibyśmy transformatorów.
Czy pamiętasz, na czym polega elektromagnetyzm?
Jeśli nie, zanim zaczniesz czytać dalej, zapoznaj się z naszym artykułem na temat nauki o elektromagnetyzmie.
Jeśli tak, to kontynuujmy. Porozmawiajmy o transformatorze – jednym z najbardziej niedocenianych obiektów, jakie znamy.
Co to jest transformator?
Zatem najważniejsze pytanie: czym jest transformator?
Mówiąc najprościej, jest to urządzenie, które przenosi energię elektryczną z jednego obwodu do drugiego. Kluczową rzeczą dla przemysłu jest to, że robi to bez potrzeby stosowania jakiegokolwiek metalowego połączenia między dwoma obwodami.
Jednak możliwości, jakie dają te urządzenia, są ogromne – co zobaczysz bardziej szczegółowo poniżej. Połączenie między różnymi obwodami jest istotne dla sieci elektroenergetycznych i obwodów elektrycznych.
Szczególnie gdy mówimy o obwodach wymagających różnych napięć. I to jest druga ważna rzecz, którą robią transformatory: umożliwiają przeniesienie mocy z obwodu wysokiego napięcia do obwodu niskiego lub średniego napięcia.
Ten fakt jest naprawdę ważny.
Poszukaj zajęć z fizyki w pobliżu. Wpisz np. „korepetycje fizyka Warszawa” w wyszukiwarkę Superprof.
Dystrybucja mocy i przenoszenie mocy
Najpierw przyjrzyjmy się roli transformatorów w dystrybucji mocy.
- Większość całej energii elektrycznej na świecie przechodzi przez transformator przynajmniej w jednym momencie swojego cyklu przepływu.
- W rzeczywistości najprawdopodobniej przechodzi przez kilka transformatorów.
Generatory znajdujące się na miejscu wytwarzają niewielką część energii elektrycznej i dlatego nie trzeba jej przesyłać.
Dlatego transformatory odgrywają rolę w całej energii dostarczanej do tradycyjnego domu.
Dystrybucja energii elektrycznej odbywa się na absolutnie masową skalę, między wieloma krajami, a nawet całymi kontynentami.
Biorąc pod uwagę, że prąd elektryczny przebywa tak długą drogę od producenta do konsumenta, transformatory są często używane do dzielenia obwodu na mniejsze części. Zapewnia to większą stabilność linii i ułatwia izolowanie problemów.
Transformatory podwyższające napięcie i obniżające napięcie
Najczęstszym zastosowaniem transformatorów jest ich szczególna rola w obniżaniu lub podwyższaniu napięcia elektrycznego. Stanowią one podstawę funkcjonowania całej sieci elektrycznej i umożliwiają dopływ energii elektrycznej do Twojego domu.
Napięcie i natężenie prądu
Dzieje się tak dlatego, że sieć elektryczna przesyła prąd elektryczny o bardzo wysokim napięciu.
- Wysokie napięcie prądu przesyłanego przez Krajowy System Elektroenergetyczny w Polsce zmniejsza straty wynikające z jego przesyłu.
- Nie pozwala jednak na bezpośrednie korzystanie z niego bez udziału transformatorów.
Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe napięcie prądy, tym wydajniejszy jest jego przesył.
Natężenie to prędkość przepływu ładunku elektrycznego. Zatem im wyższe natężenie, tym szybciej prąd przepływa przez linię energetyczną. Spora część energii elektrycznej jest marnowana, jeśli przesyła się ją na duże odległości.
Z drugiej strony napięcie, czasami nazywane siłą elektromotoryczną, jest różnicą potencjałów pomiędzy dwoma różnymi punktami przewodu. Jest to ciśnienie elektryczne, które umożliwia przepływ prądu. Innymi słowy, jest to ilość energii potrzebna do przesłania prądu wzdłuż przewodu.
Znajdź korepetycje z fizyki na Superprof.
Transformacja napięć
Sieci elektryczne wykorzystują niewiarygodnie wysokie napięcia, a nie wysokie natężenie prądu. Jest z tym oczywisty problem.
Przesyłanie energii elektrycznej wysokiego napięcia jest znacznie łatwiejsze i wydajniejsze, ale korzystanie z niej jest znacznie bardziej niebezpieczne.
Posiadanie niewiarygodnie wysokiego napięcia we wszystkich naszych wtyczkach to zdecydowanie zły pomysł.
- Dlatego sieć wykorzystuje transformatory do „podwyższania” napięcia energii elektrycznej przed jej przesłaniem,
- a następnie do jego ponownego „obniżenia”.
Zanim będzie można ją rozprowadzić na poziomie lokalnym i zanim dotrze do domów, należy znacznie obniżyć napięcie, ponieważ napięcia w przewodach krajowych są dużo wyższe niż te, które wytrzyma Twój laptop lub czajnik.
Dzieje się tak z całą naszą energią elektryczną. Widać więc, jak ważne w naszym życiu są transformatory.
Wyszukaj korepetycja fizyka na Superprof.
Jak działają transformatory?
Teraz już wiesz, do czego służą transformatory. Jednak jak działają? Oto pytanie, na które teraz odpowiemy. Przekonasz się, że ta odpowiedź jest powiązana ze zjawiskiem znanym jako elektromagnetyzm.
Elektromagnetyzm to połączenie prądu elektrycznego i magnetyzmu; te dwie rzeczy to dwie strony tej samej monety. Transformatory działają, wykorzystując tę zależność.
Transformatory to naprawdę dość proste urządzenia.
W najprostszej formie są to dwie cewki z drutu wokół rdzenia ferromagnetycznego.
- Wyobraź sobie, że jest to żelazny pierścień, po którego przeciwnych stronach znajdują się dwa zwoje drutu miedzianego.
- Prąd przepływa przez jeden z nich i trafia do tak zwanego uzwojenia pierwotnego (strony pierwotnej).
- W wyniku działania pola magnetycznego ładunku elektrycznego zmiany strumienia magnetycznego żelaznego rdzenia powodują elektryzowanie uzwojenia wtórnego (strony wtórnej).
Podstawą działania idealnego transformatora jest proces, który nazywamy indukcją elektromagnetyczną.
Prawo Faradaya – nazwane na cześć człowieka, który odkrył indukcję elektromagnetyczną, jak zobaczycie poniżej – stwierdza, że wystarczy zmienić liczbę cewek na cewce wtórnej, a zmieni się napięcie, które pojawi się w drugim obwodzie.
Faraday i strumień magnetyczny
Michael Faraday odkrył zasady indukcji elektromagnetycznej, które stały się centralnym elementem technologii transformatora.
- Zbudował sobie mały transformator dokładnie tak, jak opisaliśmy powyżej.
- Łącząc jedną stronę z baterią, a drugą stronę z galwanometrem zauważył,
- że ładunek elektryczny był obecny w przewodzie wtórnym tylko wtedy, gdy podłączał, a następnie odłączał akumulator.
To była zasadnicza część jego odkrycia. Gdy prąd elektryczny był stabilny w pierwszym przewodzie, w drugim nie zaobserwowano prądu elektrycznego.
Wymagana była zmiana w ładunku elektrycznym. To właśnie ta zmiana wpłynęła na zmianę strumienia magnetycznego w żelaznym rdzeniu – co umożliwiło przesyłanie energii elektrycznej.
Znaczenie prądu przemiennego
To odkrycie wpływa na sposób, w jaki działają dzisiaj transformatory. Transformatory działają tylko dla prądu przemiennego, w przeciwieństwie do prądu stałego.
Podczas gdy prąd stały jest stabilnym prądem, który płynie tylko w jednym kierunku, prąd przemienny to charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, który stale zmienia kierunek.
Powoduje to zmianę strumienia magnetycznego, która umożliwia przepływ prądu elektrycznego przez transformator, czyli indukcję prądu elektrycznego w przewodzie wtórnym.
Bez tej zmienności pole magnetyczne w transformatorze nie umożliwia przesyłu prądu.
Znaczenie elektromagnetyzmu
Michael Faraday dokonał tego odkrycia w latach trzydziestych XIX wieku. Chociaż podejmowano próby zwiększenia wydajności tego procesu, podstawowe zasady działania transformatora nie zmieniły się ani trochę.
Dlatego transformator świadczy o tym, że elektromagnetyzm jest jednym z najważniejszych odkryć w historii naszego świata.
Więc lepiej się go naucz.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe napięcie prądy, tym wydajniejszy jest jego przesył. ?
Zgadza się :)