Электричество в нашей жизни

5. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

При передаче тока по проводам в них выделяется тепло — тем больше, чем больше сопротивление проводов. Эти вредные тепловые потери быстро возрастают с увеличением силы передаваемого тока. Необходимо свести их до минимума — иначе слишком много энергии потеряется «при транспортировке». К снижению потерь в проводах ведут два пути: 1) уменьшение сопротивления проводов; 2) уменьшение силы передаваемого тока.

Уменьшение сопротивления проводов возможно лишь в ограниченных пределах. Если идти только этим путём, то достаточно экономическая передача электроэнергии из Шатуры в Москву потребовала бы очень толстых «проводов» — сечением в несколько десятков квадратных метров, что совершенно неприемлемо.

Остаётся второй путь — снижение силы тока.

Выдающиеся русские электротехники П. Н. Яблочков, а затем И. Ф. Усагин ещё в последней четверти прошлого столетия создали один из важнейших в электротехнике аппаратов — трансформатор (что значит преобразователь). Благодаря трансформатору стало возможным, как мы сейчас увидим, передавать электрическую энергию на очень большое расстояние.

Трансформатор преобразует величину тока и его напряжение без изменения мощности.

Для того чтобы понять, как работает трансформатор, выясним прежде, что такое мощность электрического тока.

Мы уже говорили, что величина напряжения измеряется вольтами, а сила тока — амперами. Если помножить число вольт на число ампер, получится работа, произведённая электрическим током за одну секунду. А работа тока в секунду и есть его мощность. Единица электрической мощности — ватт. Чтобы узнать расход электрической энергии, нужно величину мощности в ваттах помножить на время в часах, в течение которого расходовалась эта мощность.

Для удобства счёта ваттчасы превращают в гектоваттчасы (гекто означает 100) и киловаттчасы («кило» — 1000).

Итак, мощность любой электрической установки определяется произведением силы тока на напряжение. Предположим, мощность нашей установки 20 ватт. Эту величину можно представить так:

Мы видим, что величина мощности остаётся неизменной, хотя величины силы тока и напряжения изменяются. Остаётся найти, каким техническим способом можно изменять ток и напряжение при неизменной мощности. Эта задача и была решена с изобретением трансформатора.

Трансформатор представляет собой железную раму, на которой закреплены две проводниковые катушки (рис. 8).

Если через одну катушку пропускать переменный ток, то рама намагничивается, причём создаваемое в ней магнитное поле — тоже переменное. Это переменное магнитное поле будет по законам электромагнитной индукции наводить переменный ток во второй катушке.

Когда число витков в обеих катушках одинаково, то токи в них будут одной силы и одного напряжения. Но если количество витков вторичной обмотки будет больше, то, как показывает опыт, в ней будет наводиться ток более высокого напряжения. При этом, поскольку подводимая мощность не изменяется, уменьшится сила тока.

При уменьшении числа витков во вторичной обмотке в ней будет наводиться ток более низкого напряжения, но зато возрастёт сила тока.

В первом случае мы имеем повышающий трансформатор. Такой трансформатор необходим для передачи энергии на большое расстояние, так как чем меньше ток, отдаваемый трансформатором в линию электропередачи, тем меньше будут потери мощности на бесцельный нагрев проводов. Во втором случае получится понижающий трансформатор. С помощью такого трансформатора ток высокого напряжения преобразуется в ток низкого напряжения, безопасный для использования в электромоторах, осветительных устройствах и других приборах.

В трансформаторах нет никаких движущих частей. Они строятся как для преобразования тока мощностью в несколько ватт (для электрозвонков), так и для передачи тока огромной мощности в несколько десятков тысяч киловатт от больших электростанций по линиям электропередач на расстояние до 1000 километров (Куйбышев — Москва, Сталинград — Москва). Крупный трансформатор изображён на рисунке 9.