Проблема потерь мощности
Рассмотрим гидроэлектростанцию (ГЭС), в которой вода крутит проводящую рамку, находящуюся в магнитном поле. Из-за вращения рамки, магнитный поток через неё изменяется и в рамке возникает ЭДС индукции, следовательно, рамка становится источником переменного тока:
$P_{\text{ист}} = I \cdot \xi_i = I \cdot U_{\text{ист}}$
Выразим значение силы тока:
$I = \frac{P_{\text{ист}}}{U_{\text{ист}}}$
У источника тока и проводов, соединяющих его с потребителем, есть некоторое сопротивление, которое можно считать внутренним, следовательно, мощность потерь будет равна:
$P_{\text{потерь}} = I^2 r = \frac{P_{\text{ист}}^2}{U_{\text{ист}}^2} r$
Таким образом, мощность потерь зависит как от мощности источника, так и от внутреннего сопротивления. То есть при увеличении расстояния от станции до потребителя, потери будут возрастать, что негативно сказывается на стоимости электроэнергии.
Повышение напряжения и роль трансформатора
Решением этой проблемы занимался сербско-американский учёный Никола Тесла. Он обнаружил, что если многократно повысить напряжение на источнике, то мощность потерь резко снизится. Когда электричество доставлено к потребителю, значение напряжения необходимо уменьшить до бытовых значений. Для этой цели был изобретён трансформатор.
Трансформатор — это электромагнитное устройство, состоящее из 2-х обмоток, намотанных на сердечник. Он предназначен для того, чтобы понижать или повышать амплитудные значение напряжения и силы переменного тока без изменения частоты.
Таким образом существуют повышающие и понижающие трансформаторы. Понижающий трансформатор вы, наверняка, могли видеть возле своего дома, они расположены в трансформаторных будках.
Принцип работы понижающего трансформатора
Рассмотрим принцип работы понижающего трансформатора, схема которого приведена на рисунке ниже:
Так как трансформатор подключён к источнику переменного тока, то магнитный поток, пронизывающий обмотки, будет меняться. Напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора по закону Фарадея будут равны:
$U_1 = N_1 \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$
$U_2 = N_2 \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$
Поделим второе уравнение на первое:
$\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1}$
Так как $N_2$ меньше чем $N_1$, то это в данном случае это будет понижающий трансформатор. Данное отношение называется коэффициентом трансформации.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист “100балльного репетитора” по физике ЕГЭ
