Galios transformatorių supratimas: elektromagnetinė indukcija ir įtampa

Kaip veikia galios transformatoriai: Visas elektromagnetinės indukcijos ir įtampos transformacijos vadovas

Tikriausiai milijoną kartų ėjote pro vieną, nepastebėdami, - kad pilkas metalas gali sėdėti ant stulpo arba tamsiai žalia dėžė, dūzgianti kieno kieme. Labai lengva jų nepaisyti, bet, žmogau, jei jų nebūtų, skrudintuvo prijungimas gali virsti fejerverku, kurio tikrai nenorite. Tai yra galios transformatoriai ir iš esmės veikia kaip beprotiškai didelės-galios elektros, gaunamos iš gamyklos, ir saugių dalykų, kurių iš tikrųjų reikia jūsų šaldytuvui ir telefonui.

Elektrinės paprastai yra nutolusios už šimtų mylių nuo mūsų gyvenamosios vietos, todėl inžinieriai turi didelį galvos skausmą, kurį jie vadina „šilumos problema“. Laidai turi varžą - pagalvokite apie tai kaip trintį ant slydimo. Jei bandytumėte siųsti įprastą buitinę įtampą (pvz., 120 V), didžioji dalis energijos tiesiog virstų nenaudinga šiluma, kol ji kada nors nepatektų į jūsų namus. Poof - dingo.

Taigi tinklas tampa protingas ir su elektra elgiasi kaip su vandeniu vamzdyje. Įtampa yra slėgis, srovė yra tai, kiek iš tikrųjų teka. Norėdami padidinti galią tikrai toli neprarasdami jos, jie padidina įtampą -, kartais šimtus tūkstančių voltų. Tai tarsi gaisrinės žarnos naudojimas vietoj sodo žarnos: aukštu slėgiu darbas atliekamas dideliais atstumais. Tačiau dėl to paties beprotiško spaudimo jūsų nešiojamasis kompiuteris ar lemputės akimirksniu sudegintų. Čia įeina transformatorius - jis paima pavojingą „gaisrinę žarną“ iš didelių linijų ir paverčia ją švelniu „sodo žarnos“ srautu, kurį gali valdyti jūsų namai. O šauniausia dalis? Visa tai daroma su nuliu judančių dalių.

Įsivaizduokite, kad laistote savo sodą dešimties{0}}mylių-ilgio žarna. Kai vanduo pasieks galą, trintis būtų pavogusi beveik visą slėgį ir iš esmės nieko negautumėte. Elektra turi tą pačią problemą. Laidai kovoja su elektronais (tai yra pasipriešinimas), o jei normalią įtampą siunčiate dideliais atstumais, dauguma jos tiesiog sudega kaip šiluma.

Ištaisymas yra nedidelis-pardavimas. Inžinieriai suprato, kad srovė (tikrasis elektronų srautas) yra tai, kas sukuria didžiąją dalį šilumos. Taigi jie padidina įtampą itin aukštai, o tai leidžia sumažinti srovę ir kartu tiekti tą pačią galią. Tai tarsi sūpuoklės - didesnė įtampa, mažesnė srovė, mažiau šilumos, pigesnė elektra mums visiems.

Štai kodėl tie didžiuliai plieniniai bokštai turi iki 500 000 voltų. Iš esmės tai aukšto-slėgio, mažo-eismo greitkeliai, tiekiantys elektrą. Žinoma, jūs nenorite, kad tokia įtampa išeitų iš jūsų sieninio lizdo, todėl transformatoriai ją sumažina, kol ji pasiekia jūsų namus.

Štai labai{0}}suprantama dalis: transformatoriaus viduje aukštos-tampos laidas ir žemos-įtampos laidas niekada nesiliečia. Jiems nereikia. Dėl Michaelo Faradėjaus atradimo 1830-aisiais elektra ir magnetizmas iš esmės yra dvi tos pačios monetos pusės.

Praleiskite srovę per laidą ir aplink jį susidaro besisukantis magnetinis laukas, tarsi nematomas viesulas. Pagalvokite apie akmenį įmetus į tvenkinį - uola daro raibuliavimą, kuris judina šalia plūduriuojantį lapą jo neliesdamas. Čia beveik taip ir atsitinka.

Transformatorius turi dvi atskiras rites, apvyniotas aplink didelę geležinę šerdį:

Elektra patenka į pirmąją ritę (vadinamą pirmine).

Tai sukuria magnetinį lauką, kuris greitai auga ir žlunga.

Judantis magnetinis laukas pasiekia ir stumia elektronus antrojoje ritėje (antrinėje), sukurdamas visiškai naują srovę.

Tai vadinama abipuse indukcija. Tai leidžia energijai belaidžiu būdu pereiti iš vienos grandinės į kitą. Keisdami kiekvienos ritės kilpų skaičių, inžinieriai gali padidinti arba sumažinti įtampą, kaip nori. Gana slidus, tiesa?

Nulaužkite vieną (žinoma, saugiai) ir tai stebėtinai paprasta - tik dvi varinės vielos ritės ir sunki geležies lakštų krūva. Į pirminę apviją patenka maitinimas, antrinėje – ten, kur ji išeina. Geležinė šerdis yra žvaigždė: ji sugriebia magnetinį lauką ir beveik be nuostolių nukreipia jį tiesiai į kitą ritę. Be šerdies magnetizmas tiesiog išnyktų ore.

Kuo daugiau vielos kilpų, tuo stipresnis efektas. Pakeiskite apsisukimų skaičių tarp dviejų ritinių ir strėlės -, valdote įtampą. Daugiau pasukimų įjungia antrinį=žingsnį-aukštyn. Mažiau apsisukimų=žingsniu-žemyn.

Tai veikia panašiai kaip dviračio pavarų perjungimas. Jei pirminis turi mažiau apsisukimų nei antrinis, įtampa padidinama -, tai yra pakopinis-transformatorius (naudojamas elektrinėse). Jei pirminis turi daug daugiau posūkių, įtampa nukrenta - laiptelis-žemyn transformatorius (ką matote ant polių ir įkroviklyje).

Posūkių santykis tiksliai nurodo, kas nutiks. Pusė apsisukimų antrinės? Įtampa sumažėja per pusę. Ir dėl energijos taupymo, kai įtampa kyla, srovė mažėja (ir atvirkščiai). Tai tarsi nykščiu uždėjus žarnos galą - didesnis slėgis, bet išeina mažiau vandens.

Prijunkite transformatorių prie įprastos baterijos (DC) ir nieko naudingo neįvyks - tiesiog įkaista viela ir išsenka baterija. Transformatoriams reikalinga kintamoji srovė (AC), nes jie priklauso nuo nuolat kintančio magnetinio lauko. Kintamosios srovės kryptis keičiasi 60 kartų per sekundę, todėl magnetinis laukas nuolat veikia ir energija šokinėja per rites.

Nuolatinė srovė yra pastovi ir vienpusė{0}}, todėl magnetinis laukas tiesiog išlieka po pirmos akimirkos. Jokio judesio, jokios indukcijos. Štai kodėl visas mūsų tinklas veikia kintamąja srove -, tai vienintelis paprastas būdas padidinti ir sumažinti įtampą.

Geležinė šerdis turi vieną didelį silpnumą - ji taip pat praleidžia elektrą. Pulsuojantis magnetinis laukas lygintuvo viduje bando sukurti sūkuriuojančias „sūkurines sroves“, kurios eikvoja energiją kaip šilumą (kartais pakankamai, kad ištirptų viskas).

Sprendimas? Supjaustykite lygintuvą itin-plonais lakštais, kiekvieną iš jų padenkite izoliacija ir sudėkite į vieną krūvą. Magnetizmas vis tiek gerai praeina, bet tos sūkurinės srovės nutrūksta. Taip pat histerezės praradimas dėl mažų magnetinių poslinkių, vykstančių 60 kartų per sekundę - daugiau vidinės trinties ir šilumos.

Dideli transformatoriai sėdi specialios alyvos bakuose, kurie viską atvėsina (kaip radiatorius) ir prideda papildomos izoliacijos. Dėl šios priežasties šie dalykai gali trukti dešimtmečius.

Hidro užtvankoje maitinimas išeina gal 20 000 voltų. Didžiulis-transformatorius padidina jo įtampą iki 230 000 voltų ar daugiau, todėl gali nukeliauti didelius atstumus neprarasdamas daug.

Miesto pakraštyje pastočių transformatoriai jį sumažina iki maždaug 13 000 voltų. Tada pilka skardinė ant stulpo (arba žalia dėžutė kieme) sumažina jūsų namo įtampą iki 120/240 voltų. Galiausiai telefono įkroviklis vėl sumažina įtampą iki 5 arba 12 voltų.

Ta elektra keturis ar penkis kartus keičia „aprangą“, kol pasiekia jūsų ekraną. Gana laukinė, kai pagalvoji.

Šios dėžės turi atlaikyti tūkstančius voltų, todėl jose naudojama stipri izoliacija ir tie briaunoti keraminiai antgaliai, kurie neleidžia elektrai šokinėti ten, kur ji neturėtų. Karštis yra lėtas priešas - sunkūs kroviniai arba karštos vasaros gali pakelti per aukštą temperatūrą ir pabloginti alyvą.

Kai izoliacija pagaliau nepavyksta, kartais išgirstate garsų bumą (pavyzdžiui, mažytį žaibo trenksmą bako viduje) ir kai kurios apylinkės aptemsta. Voverės, žaibai ar perkrovos yra įprasti įtariamieji. Vis dėlto pagrindinis dizainas beveik nepasikeitė per daugiau nei 100 metų, nes jis tiesiog veikia taip gerai.

Kai kitą kartą pamatysite vieną iš tų dūzgiančių dėžučių, suteik jai šiek tiek pagarbos. Jis tyliai atlieka rimtai šaunią fiziką -, naudodamas „nematomą rankos paspaudimą“ tarp elektros ir magnetizmo, kad mūsų šiuolaikinis pasaulis veiktų saugiai ir efektyviai.

Net ir šiandien beprotiškai paklausus dirbtinio intelekto duomenų centrų ir atsinaujinančių energijos šaltinių, dėl kurių sunku gauti transformatorių, pagrindinė idėja vis dar yra ta pati elegantiška gudrybė, kurią naudojome daugiau nei šimtmetį. Tinklelis – tai ne tik laidai, - tai daugybė magnetinių pavarų, tyliai perjungiančių energiją, kad galėtumėte įkrauti telefoną nesusprogdindami namo.

Susisiekite dabar