Wykorzystanie indukcji magnetycznej Budowa i zasada działania

Wykorzystanie indukcji magnetycznej Budowa i zasada działania

Wykorzystanie indukcji magnetycznej
Budowa i zasada działania transformatora
Autor: Weronika Gawrych
1.
Spis treści
Transformatory
1. Podział transformatorów
2. Budowa transformatora
3. Zadania transformatora
4. Podstawowa właściwość transformatora
5. Obwody transformatora
6. Działanie transformatora
7. Transformator
8. Stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia
9. Przekładnia transformatora
10 Zasada zachowania energii
11. Przesyłanie energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia
2.Podział transformatorów:
1. Transformator sieciowy
2. Transformator pełny
3. Transformator regulacyjny
4. Transformator separujący
5. Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych
6. Transformator bezpieczny
7. Transformator dzwonkowy
8. Transformatory małej częstotliwości
9. Transformator wyjściowy akustyczny
10.Transformatory modemowe
11.Transformator częstotliwości pośrednich
12. Transformator prądowy
3. Wykorzystanie zjawiska indukcji magnetycznej
1. Indukcja magnetyczna
2. Przekształcanie wzoru
3. Przykłady z Ŝycia wzięte
Transformatory
Transformator jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do
zamiany układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć
i prądów o innych z reguły wartościach, lecz takiej samej
częstotliwości. Zmiana ta odbywa się za pośrednictwem pola
magnetycznego.
Uzwojenie pierwotne
prąd pierwotny napięcie pierwotne-
Liczba zwojów N1
Uzwojenie wtórne
- prąd wtórny
- napięcie wtórne
Liczba zwojów N2
Schematyczne przedstawienie idealnego transformatora
Podział transformatorów
Ze względu na zastosowanie transformatory można podzielić na
trzy podstawowe grupy:
Transformatory
energetyczne
stosowane
przy
przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej (zwane też
transformatorami mocy),
Transformatory małej mocy - stosowane w urządzeniach
elektrycznych i elektronicznych w automatyce, łączności,
teletechnice,
Transformatory specjalne budowane dla różnych celów
specjalnych, np. przekładniki pomiarowe, transformatory
spawalnicze,
probiercze,
piecowe,
prostownikowe,
bezpieczeństwa itd.
Budowa transformatora
Każdy transformator składa się z trzech
podstawowych elementów:
• uzwojenia pierwotnego (zasilanego),
• uzwojenia wtórnego (odbiorczego),
• rdzenia ferromagnetycznego, na którym są
umieszczone oba uzwojenia (w specjalnych
zastosowaniach stosuje się transformatory bez
rdzenia, tzw. transformatory powietrzne).
Zadania transformatora
Oprócz podstawowego zadania (zmiana wartości napięcia i prądu),
transformator może pełnić również inne funkcje:
• Uzwojenia transformatora nie są ze sobą połączone galwanicznie,
umożliwia to izolowanie od siebie obwodów elektrycznych. Jeżeli
chcemy jedynie izolować od siebie pewne obwody elektryczne bez
zmiany wartości napięcia i prądu, to wprowadzamy do układu
transformator i jednakowej liczbie zwojów na obu uzwojeniach.
• Transformator nie przenosi ze strony pierwotnej na wtórną
składowych stałych prądu i napięcia i dlatego może służyć jako filtr
do ich eliminacji, przy zachowaniu składowych przemiennych.
• Z transformatorów można korzystać również wtedy, gdy chodzi
o "dopasowanie" elementów obwodu w celu uzyskania
optymalnych warunków.
• Transformator jest czwórnikiem o pewnej impedancji. czwórnik taki
można włączyć między źródło i odbiornik, np. w celu ograniczenia
prądu zwarciowego.
Podstawowa właściwość
transformatora
Podstawową właściwością transformatora jest możliwość zmiany
wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego.
Obecnie potrzeba takiej zmiany występuje zarówno
w obwodzie prądu przemiennego zarówno w energetyce,
m.in. przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej, jak
też w zakładach przemysłowych i wielu urządzeniach
powszechnego użytku (np. zasilacz z regulowanym
napięciem, radioodbiornik itp.). Z tego wynika konieczność
produkowania
ogromnej
liczby
różnorodnych
transformatorów.
Obwody transformatora
Uzwojenie pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne
transformatora, a rdzeń jest obwodem magnetycznym.
Uzwojenia nie są ze sobą połączone elektrycznie, a tylko
sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym
rdzeń. Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały
strumień jest sprzęgnięty z obydwoma uzwojeniami
transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się
transformatory bez rdzenia.
Działanie transformatora
Uzwojenie pierwotne jest zasilane ze źródła napięcia
sinusoidalnego. Pod wpływem napięcia zasilającego w uzwojeniu
pierwotnym płynie prąd przemienny (sinusoidalny) wywołując
przepływ strumienia magnetycznego. Pod wpływem tego
przepływu powstaje przemienny strumień magnetyczny. Znaczna
część tego strumienia zamyka się przez rdzeń, a niewielka
część zamyka się przez powietrze i jest skojarzona tylko
z uzwojeniem pierwotnym (strumień rozproszony pierwotny).
Strumień główny sprzęgając się z uzwojeniem wtórnym
i uzwojeniem pierwotnym indukuje w tych uzwojeniach siły
elektromotoryczne zmieniające się tak jak strumień, a więc
równieŜ sinusoidalnie.
Ciąg dalszy działania
transformatora
JeŜeli do zacisków uzwojenia wtórnego przyłączymy jakikolwiek
odbiornik, to w zamkniętym obwodzie tego uzwojenia popłynie prąd
przemienny (sinusoidalny). Jednocześnie zmieni się wartość prądu
uzwojeniu pierwotnym i strumienia wytwarzanego przez przepływ
pierwotny. Prąd wtórny wytworzy swój strumień. Od chwili , gdy płyną
prądy w obu uzwojeniach, strumień magnetyczny zamykający się przez
rdzeń jest strumieniem wypadkowym powstałym w wyniku działania
pierwotnego
i
wtórnego.
dwóch
przepływów
W ten sposób energia elektryczna dostarczona do uzwojenia
pierwotnego przy napięciu pierwotnym i prądzie pierwotnym przetwarza
się w energię elektryczną wydawaną z uzwojenia wtórnego przy napięciu
i prądzie wtórnym.
Transformator
Transformator może pracować tylko przy zasilaniu go ze źródła napięcia
przemiennego, bo tylko ciągła zmienność w czasie napięć, prądów i
strumieni
jest
podstawą
do
indukowania
napięcia.
się
napięcia.
Wszystkie linie przemiennego strumienia występującego w rdzeniu
transformatora,
transformatora, sprzęgają się zarówno z uzwojeniem pierwotnym jak
i uzwojeniem wtórnym.
wtórnym. W obu uzwojeniach indukują się więc napięcia sił
elektromotorycznych.
elektromotorycznych.
Siły elektromotoryczne zmieniają się sinusoidalnie.
sinusoidalnie. Wartości napięcia sił
elektromotorycznych w obu uzwojeniach zależą od prędkości zmian
strumienia magnetycznego, który te uzwojenia obejmuje.
obejmuje. W każdym zwoju
jednego lub drugiego uzwojenia powstaje taka sama siła elektromotoryczna,
zatem wartość indukowanego napięcia w całym uzwojeniu zależy od liczby
zwojów tego uzwojenia.
uzwojenia.
Stosunek liczby zwojów uzwojenia
wtórnego do liczby zwojów uzwojenia
Prąd przemienny płynący przez uzwojenie pierwotne transformatora
powoduje powstanie w rdzeniu okresowo zmiennego strumienia
indukcji. Ten zmienny strumień przechodzi przez wnętrze uzwojenia
wtórnego transformatora i indukuje w nim siłę elektromotoryczną
przemienną, o tej samej częstotliwości. Jest ona proporcjonalna do
liczby zwojów cewki wtórnej, gdyż siły elektromotoryczne
indukowane w poszczególnych zwojach sumują się. Okazuje się, że
stosunek napięcia uzyskanego we wtórnym uzwojeniu do napięcia
przyłożonego do uzwojenia pierwotnego jest taki, jak stosunek
liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia
pierwotnego, czyli:
U2 n2
=
U1 n1
Przekładnia transformatora
W zależności od tego, czy potrzebne jest napięcie niższe (np. do
dzwonka elektrycznego) niż dostępne w sieci, czy wyższe (np. do
telewizora) trzeba na uzwojeniu wtórnym nawinąć odpowiednio
mniej lub więcej zwojów niż na pierwotny. Stosunek n2 do n1, nosi
nazwę przekładni transformatora.
Graficzne przedstawienie liczby zwojów na uzwojeniu
pierwotnym i wtórnym
Zasada zachowania energii
Zasada zachowania energii wymaga, by moc prądu w obwodzie
wtórnym P2 była nie większa, a w idealnym przypadku (brak strat
energii) równa mocy prądu w obwodzie pierwotnym P1, czyli:
U2*I2=U1*I1
U2 I1
=
U1 I2
Znaczy to, że ile razy podwyższymy napięcie w obwodzie wtórnym
w porównaniu z napięciem w obwodzie pierwotnym, tyle samo razy
zmniejszyliśmy w tym obwodzie natężenie prądu.
Tę zależność wykorzystuje się przy przesyłaniu energii elektrycznej
liniami wysokiego napięcia.
Przesyłanie energii elektrycznej
liniami wysokiego napięcia
Dla przykładu wyobraźmy sobie elektrownię wytwarzającą prąd przemienny
o natężeniu skutecznym U=220
U=220V
220V. W przewodach przesyłających prąd na
dużą odległość powstają straty energii elektrycznej związane
z ogrzewaniem tych przewodów.
przewodów. Straty te zwane są ciepłem Joule´
Joule´a.
Wyrażamy je, posługując się, takim wzorem na pracę prądu, w którym
występują tylko wielkości związane z przepływaniem prądu w przewodach
tej linii:
linii:
Q=I2Rt
I -natężenie skuteczne prądu płynącego w tej linii,
R -oporem linii.
linii.
Jeśli za pomocą transformatora I podwyższymy napięcie
100razy, to 100 razy zmaleje natężenie prądu w linii
przesyłanej i aż 10000 razy zmaleją straty energii.
Transformator II obniża napięcie z powrotem do wartości
U=220V, tj. do napięcia zasilającego naszą sieć domową.
Przesyłanie energii elektrycznej
liniami wysokiego napięcia
Graficzne przedstawienie przesyłania energii
elektrycznej liniami wysokiego napięcia
Podział transformatorów
Transformator sieciowy
Transformator sieciowy jest przykładem transformacji jednej wartości
napięcia zmiennego na inną, np.
np. 230 V na 11 V. Moc przenoszona przez
transformator ulega zmniejszeniu o wartość strat.
strat. Ponieważ moc jest
iloczynem wartości napięcia i natężenia prądu, więc w przykładowym
transformatorze przy poborze 1 A po stronie wtórnej co najmniej 0,05 będzie
przepływać
po
stronie
pierwotnej.
pierwotnej.
Transformator jest obliczany na pewną maksymalną moc, której nie wolno
przekraczać.
przekraczać. Oznacza to, że rezystancje uzwojeń muszą być wystarczająco
niskie, aby nie dawały zbyt dużych spadków napięcia.
napięcia. Oznacza to także, że
rdzeń transformatora musi mieć wystarczającą wielkość aby nie był
nasycany.
nasycany. Wielkość ta decyduje nie tylko o przenoszonej mocy, ale również
o częstotliwości pracy.
pracy. Ogólnie, im mniejsza częstotliwość przenoszona, tym
większy
rdzeń
jest
niezbędny.
niezbędny.
Rdzeń nie może stanowić jednolitej masy, ponieważ prądy
wirowe, które w takim przypadku powstają, powodują duże
straty.
straty. W związku z tym używa się blach
transformatorowych, które są układane w pakiet blaszek,
wzajemnie od siebie odizolowanych.
odizolowanych. Są one często
wycinane w formie liter E i I. Tworzą w ten sposób rdzeń
EI, w którym uzwojenie umieszczone jest w środku, aby
uzyskać możliwie duże pole magnetyczne.
magnetyczne.
Transformator pełny
Transformatorami
pełnymi
nazywamy
transformatory
z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one
galwaniczne
oddzielnie
wejścia
i
wyjścia.
Autotransformatory mają wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne.
Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia
galwanicznego między wejściem i wyjściem, ale moŜe być
uŜywany zarówno do transformacji napięć w górę jak i w dół. Ze
względu na "ścisłe" sprzęŜenie między uzwojeniami i fakt, Ŝe
uzwojenie zajmuje mniej miejsca, ten typ transformatora
posiada mniejsze wymiary niŜ porównywalny transformator
dwuuzwojeniowy.
Transformator regulacyjny
Transformator regulacyjny jest najczęściej odmianą
autotransformatora, gdzie odczep uzwojenia wtórnego jest
ruchomy, tak Ŝe napięcie w tym uzwojeniu moŜna zmieniać.
Jest
on
bardzo
praktyczny
w
zastosowaniach
laboratoryjnych, gdzie chcemy badać jak aparatura
zachowuje się przy zmiennych napięciach zasilania.
Transformator regulacyjny produkowany moŜe być równieŜ
w wersji dwuuzwojeniowej, czyli jako pełny transformator.
Transformator separujący
Transformator separujący jest transformatorem dwuuzwojeniowym,
którego uŜywa się do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym od
podstawowej sieci zasilającej. W laboratoriach pomiarowych stosuje się
go np. tam, gdzie nie moŜna uŜywać uziemionych wyjść sieciowych,
poniewaŜ wtedy otrzyma się pętlę uziemień, które mogą mieć wpływ na
wynik pomiarów. Bieguny sieci mają jak wiadomo 230 V i O V w stosunku
do ziemi. Uzwojenie wtórne transformatora separującego moŜna
pozostawić nie uziemione i w takim wypadku nie daje ono napięcia
w stosunku do ziemi (napięcie wtórne pozostanie "pływające"). To
pływające napięcie zmniejsza zasadniczo ryzyko dla osób pracujących
w laboratorium. Transformator moŜe być wyposaŜony w ekran pomiędzy
stroną pierwotną i wtórną, aby zapobiec zakłóceniom przenoszonym
pojemnościowo.
Transformator bezpieczny
i pośredni do celów ochronnych
Transformator bezpieczny i pośredni do celów
ochronnych winny być uŜywane, aby ograniczyć ryzyko
poraŜenia prądem w urządzeniach elektrycznych
i przedmiotach powszechnego uŜytku. Transformatory
te muszą mieć zapewnioną izolację pomiędzy stroną
pierwotną i wtórną, a takŜe ograniczone napięcie
wyjściowe, które moŜe wynosić 12, 24, 42 i 115V
w zaleŜności od wymaganego zastosowania.
Transformator bezpieczny
Transformatorem
bezpiecznym
nazywamy
taki
transformator, który posiada tzw. bezpieczne niskie
napięcie pracy, najwyŜej 50 V, transformator pośredni dla
celów ochrony to taki, który dostarcza napięcia w zakresie
pomiędzy 50 i 125 V.
Do zabawek powinno się uŜywać tzw. transformatorów
zabawkowych, które dają napięcie o wartości najwyŜej 24 V
i zapewniają bezpieczeństwo w przypadku nieostroŜnej
obsługi.
Transformator dzwonkowy
Transformator dzwonkowy
to transformator przeznaczony do dzwonków
drzwiowych i podobnych zastosowań. MoŜe mieć
on wartość prądu zwarciowego najwyŜej 10 A,
aby uniknąć ewentualnego uszkodzenia
przewodów dzwonkowych, które mogą przenosić
tylko krótkotrwałe obciąŜenia.
Transformatory małej
częstotliwości
Transformatory małej częstotliwości (m.cz., akustyczne) spełniają
zadania, które róŜnią się zasadniczo od zadań transformatorów
sieciowych. UŜywa się ich przede wszystkim nie w celu
transformatorowania wartości napięcia, ale do transformacji
impedancji. UŜywane są do dopasowywania impedancji pomiędzy
np. dwoma stopniami wzmacniacza lub teŜ do dopasowania
impedancji
między
wzmacniaczem
i
głośnikiem.
PrzełoŜenie impedancji dokonuje się z kwadratem przekładni
uzwojenia (przełoŜenia napięciowego), tzn. transformator
z przełoŜeniem uzwojenia 10:1 ma przełoŜenie impedancji 100:1.
Transformator wyjściowy
akustyczny
Transformator wyjściowy akustyczny jest bardzo krytycznym
elementem. Obecnie znowu stało się to aktualne w związku z tendencją
budowy wzmacniaczy Hi - Fi i innych przyrządów w oparciu o lampy
elektronowe. Lampy powinny być obciąŜane optymalną impedancją
wynikającą z ich charakterystyk. Chodzi tu o impedancję rzędu wielu
kohm, która przy pomocy transformatora dopasowywana jest do niskiej
impedancji głośnika. Ta wysoka impedancja oznacza wiele zwojów
uzwojenia pierwotnego, posiadających określoną pojemność. W celu
uniknięcia rezonansu, który przypada w pobliŜu zakresu tonów
słyszalnych, staramy się utrzymać tę pojemność na jak najniŜszym
poziomie, poprzez nawijanie transformatora sekcjami: na przemian
sekcje uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Poprawia to równieŜ stopień
sprzęŜenia między uzwojeniami.
Transformatory
modemowe
Transformatory modemowe zapewniają galwaniczne
odseparowanie modemu od sieci telefonicznej.
Zbudowane są tak, aby spełniać normy stawiane przez
przepisy telekomunikacyjne. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe
normy te mogą znacznie róŜnić się w róŜnych krajach.
W Szwecji wystarczy np. wytrzymałość napięciowa 2,5
kV, a w innych, np. w Wielkiej Brytanii i w Niemczech,
wymaga się 4 kV.
Transformator
częstotliwości pośrednich
Transformator częstotliwości pośrednich składa się z dwóch
połączonych stopni rezonansowych. Jest on skonstruowany na
pewne częstotliwości pracy np. 455 kHz (AM) lub 10,7 MHz (FM),
które mogą być dostrojone przy pomocy ruchomych rdzeni. Przy
AM, SSB, i CW poŜądane jest by pasmo było moŜliwie wąskie, tzn.
by wartość Q była jak największą, podczas gdy transformatory dla
radia FM powinny mieć szerokość pasma ok 250 kHz, dla uniknięcia
zniekształceń. W tunerach Hi - Fi wymagana jest najczęściej
większa szerokość pasma gdyŜ chcemy mieć jak najniŜsze
zniekształcenia, podczas gdy w radiu samochodowym moŜemy
tolerować większe zniekształcenia, dla uzyskania w zamian większej
czułości i selektywności.
Transformator prądowy
Transformator prądowy
zwany równieŜ przekładnikiem prądowym, stosuje
się do pomiaru - za pośrednictwem pola
magnetycznego - natęŜenia prądu płynącego przez
przewód. Oznacza to, Ŝe obwód przepływu prądu nie
musi być przerywany dla dokonania pomiaru.
Transformatorów tych uŜywa się np. w wyłącznikach
róŜnicowo - prądowych.
Wykorzystanie zjawiska
indukcji magnetycznej
Indukcja magnetyczna
Indukcja magnetyczna jest wektorem, którego kierunek jest
styczny w kaŜdym punkcie do linii pola magnetycznego, a zwrot
zgodny
ze
zwrotem
linii
pola.
Stąd linie pola magnetycznego nazywamy tez liniami indukcji pola
magnetycznego. Na cząstkę naładowaną poruszającą się w polu
magnetycznym pod dowolnym kątem α do linii pola działa siła
o wartości:
F = B q V sin α
gdzie α jest kątem pomiędzy wektorem V i wektorem B.
Przekształcanie wzoru
F = BqVsin α
/: qVsin α
F
BqV sin α
=
qV sin α
qV sin α
F = BqVsin α
/: Bqsin α
F
B=
qVsinα
F
BqVsinα
=
Bqsinα Bqsinα
V=
F
Bqsinα
F = BqVsin α
/: BVsin α
F
BqV sinα
=
BV sinα BV sinα
F
q=
BV sinα
Przykłady z Ŝycia wzięte
1. Kiedy nie zapłacimy w kasie za towar, czyli w momencie, kiedy
kasierka nie zdejmie okrągłego czujnika będącego magnesem lub
jeśli czytnikiem nie rozmagnesuje towaru rozlegnie się alarm
w bramce, w chwili kiedy będziemy przez nią przechodzić.
Bibliografia
Tworząc tą prezentacje korzystałam z:
• Internetowej encyklopedii www.wikipedia.pl,
• Internetowej wyszukiwarki www.google.pl, www.onet.pl,
• Podręcznika dla liceum ogólnokształcącego, liceum
profilowanego i technikum
• Podręcznika „Fizyka dla szkół średnich” A. Czerwińska,
B. Sagnowska,
• Konsultacji nauczyciela uczącego fizyki:
Pani mgr Edyta Dzikowska.