Получение и передача переменного тока. Трансформатор

Переменный ток – это электрический ток, меняющийся во времени периодически по модулю и направлению.

На практике это в подавляющем большинстве случаев означает, что зависимость тока от времени будет представлять из себя синусоиду. Например, напряжение в розетке вполне синусоидальное с частотой 50 Гц и амплитудой 311 В, как бы неожиданно это не звучало.

Для получения такого напряжения сейчас используют электромеханические индукционные генераторы.

Принцип действия генератора переменного тока основан на вращении магнита внутри контура. При этом вращающаяся часть называется ротором, а неподвижная – статором.

Ниже показана схема реального электрогенератора – на неё видны магнит (ротор), общий сердечник катушек, сами катушки (статор). Такой генератор называется трёхфазным и он представляет из себя сразу три источника напряжения – так уж вышло, что на практике проще сделать генератор, являющийся сразу тремя источниками, чем генератор, который был бы одним источником аналогичной мощности.

Когда ротор вращается, магнитный поток в катушках меняется – чтобы это увидеть, достаточно взглянуть на линии магнитного поля.

Когда полюс направлен на обмотку, в ней поток околонулевой, когда обмотка сбоку от полюса, в ней поток максимальный.

Обычно на электростанциях генератор вращает турбина – паровая или водяная. В автомобиле генератор вращает поршневой двигатель.

Изобретение переменного тока в своё время было большим достижением. Дело в том, что переменный ток легко передавать на большие расстояния. Большое расстояние предполагает, что мы передаём ток по длинному проводу, а значит, сопротивление велико. Тепловые потери равны Q = I² * R * t, а передаваемая энергия равна E = U * I * t, то есть если мы хотим передавать такую же энергию, как и раньше, но с меньшими потерями, нам надо или уменьшать сопротивление проводов (что очень дорого), или увеличивать передаваемое напряжение при уменьшении тока.

Если увеличить напряжение, это приведёт к тому, что на розетке будет написано на 220 В, а 10000 В, например, и изоляция будет толщиной с садовый шланг, и любое короткое замыкание будет выглядеть вот так:

Все эти проблемы легко решаются переменным током, потому что его можно передавать на дальние расстояния с огромным напряжением, а затем понижать напряжение и передавать в дома уже безопасным способом.

Ключевые слова здесь – можно понижать напряжение.

Для этой задачи у нас есть трансформаторы. Трансформатор устроен следующим образом:

Протекающий в первичной обмотке ток создаёт магнитное поле в сердечнике (переменное магнитное поле, так как ток переменный), это магнитное поле создаёт переменный ток во вторичной обмотке, потому что изменение магнитного потока порождает ток самоиндукции.

Фишка трансформатора в том, что индуктивность обмоток разная – и значит, напряжение на них тоже будет разным.

Напряжения на обмотках соотносятся по формуле:

U₁ / U₂ = N₁ / N₂, где N – число витков в соответствующей обмотке.

Передача переменного тока от электростанции до дома происходит по следующей схеме: вначале генератор производит напряжение порядка 25 кВ, затем это напряжение повышается трансформатором до примерно 750 кВ, передаётся на ЛЭП, а затем на подстанции оно понижается до 220 В (ну, амплитуда 311 В, но среднее значение всё же 220 В, а лампочка светится пропорционально среднему значению, а не максимальному), и дальше мы им пользуемся.