Робота трансформатора під навантаженням

Якщо до вторинної обмотки трансформатора приєднати наван­таження, то в ній виникне електричний струм, що спричиняє змен­шення магнітного потоку в сердечнику й, як наслідок, зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці. У результаті сила струму в первинній обмотці збільшиться, і магнітний потік зросте до пер­вісного значення. Що більша сила струму у вторинній обмотці й по­тужність, яку вона віддає споживачеві, то більша сила струму в первинній обмотці й потужність, споживана від джерела. Оскіль­ки втрати енергії в трансформаторі малі, то U₁ I₁ ~ U₂I₂, звідси

Це означає, що в підвищувальному трансформаторі U₁ < U₂ й I₁ > I₂, а в понижувальному трансформаторі U₁ > U₂ й I₂ > I₁.

У трансформаторі, як і в будь-якому технічному пристрої, іс­нують втрати енергії.

Відношення потужності, яку трансформатор віддає споживаче­ві електричної енергії, до потужності, яку трансформатор спожи­ває з електричної мережі, називають ККД трансформатора:

Питання для самоконтролю:

1. Який принцип покладено в основу робота трансформатора?

2. Чи можна трансформувати постійний струм?

3. Чому електричну енергію на більші відстані передають під ви­сокою напругою?

4. Чому перш ніж подавати споживачам електричну напругу, її знижують?

Зміст самостійної роботи:

1. Якісні питання

1. Струм у вторинній обмотці трансформатора залежить від опору підключених приладів. Чи змінюється у зв'язку із цим струм у первинній обмотці і якщо так, то як це відбувається?

2. Обмотки трансформатора зроблені із проводів різної товщини. Яка з обмоток містить більше витків? Чому?

3. Що відбудеться з котушкою трансформатора, якщо її розпря­мити, не відключаючи від мережі?

2. Розв’яжіть задачі:

1. У первинній обмотці 200 витків, а у вторинній — 25 витків. Під­вищувальна чи знижувальна напруга у цього трансформатора? У скільки разів?

2. Трансформатор підвищує напругу від 10 до 200 В. Скільки вит­ків у вторинній обмотці трансформатора, якщо первинна обмот­ка містить 600 витків?

3. Первинна обмотка трансформатора, що містить 1500 витків проводу, підключена до кола змінного струму напругою 220 В. Визначте кількість витків у вторинній обмотці, якщо вона повинна живити коло напругою 6,3 В і силою струму 1,5 А.

Опір вторинної обмотки 0,2 Ом. Опором первинної обмотки знехтувати.

Генератор незатухаючих електромагнітних коливань

План

1. Незатухаючі коливання.

2. Автоколивальні системи.

3. Генератор на транзисторі

Незатухаючі коливання

Реальний коливальний контур чинить певний опір електрично­му струму. Тому частина переданої контуру енергії безупинно пере­творюється у внутрішню енергію проводів, що розсіюється в навко­лишньому просторі. Чим більше опір контуру, тим швидше загаса­ють коливання. Якщо опір контуру дуже великий, коливання вза­галі можуть і не виникнути — конденсатор розрядиться, а переза­ряджання не відбудеться.

Щоб коливання не загасали, необхідно поповнювати енергію контуру, заряджаючи конденсатор від джерела постійного стру­му. Але якщо джерело буде увесь час підключено до конденсато­ра, то конденсатор лише буде обмінюватися енергією із джере­лом. Щоб цього не відбувалося, контур може бути підключений до джерела тільки в ті моменти, коли обкладка конденсатора, що приєднана до позитивного полюса джерела струму, заряджена позитивно. Під час коливань знак заряду на обкладках періодич­но змінюється, отже, ключ повинен замикати й розмикати коло із частотою, що дорівнює частоті електромагнітних коливань кон­туру, тобто кілька мільйонів за секунду. Замикати з такою часто­тою механічний ключ не можна, тому в радіотехніці використову­ють транзистор.

Автоколивальні системи

Очевидно, що для заповнення зменшення енергії в коливальній системі необхідно мати джерело, за допомогою якого поповнювала­ся б її енергія. При цьому важливо виконати дві умови:

1) енергія, що надходить від джерела в коливальну систему за пе­ріод, має точно дорівнювати енергії, що за цей час необоротно перетворюється в інші види енергії;

2) енергія повинна надходити в коливальну систему в такт, тобто узгоджено за фазою з вільними коливаннями, що відбуваються в системі.

Системи, у яких генеруються незатухаючі коливання за рахунок над­ходження енергії від джерела усередині системи, називаються автоко­ливальними.

Незатухаючі коливання, що існують у системі без впливу на неї зо­внішніх періодичних сил, називаються автоколиваннями.

Будь-яка автоколивальна система складається із чотирьох еле­ментів:

1) джерела енергії, за рахунок якого підтримуються незатухаючі ко­ливання (у генераторі на транзисторі це джерело постійної на­пруги);

2) клапана — пристрою, що регулює надходження енергії від дже­рела в коливальну систему (у генераторі роль клапана відіграє транзистор);

3) коливальної системи, тобто тієї частини автоколивальної систе­ми, у якій безпосередньо відбуваються коливання (у генераторі на транзисторі це коливальний контур);

4) пристрою, що забезпечує зворотний зв'язок, за допомогою яко­го коливальна система управляє клапаном (у генераторі на транзисторі це індуктивний зв'язок котушки контуру з котуш­кою в колі емітер—база).

Зворотний зв'язок

Генератор на транзисторі

Розглянемо одну з найпоширеніших автоколивальних сис­тем — генератор на транзисторі.

Джерелом енергії є джерело струму, а коливальною системою — коливальний контур. Пристроєм, що регулює надходження енергії від джерела в коливальну систему, у генераторі є транзистор.

А хто ж керує роботою самого транзистора? Звідки транзистор «може знати», коли потрібно замикати або розмикати коло? Кра­щий варіант, якщо роботою транзистора будуть управляти коли­вання в контурі, тоді енергія від джерела струму буде надходити в контур, коли це потрібно. Інакше кажучи, необхідно забезпечити зворотний зв'язок у системі. Такий зворотний зв'язок можна зро­бити, наприклад, індуктивним: якщо між емітером і базою тран­зистора увімкнути котушку L_3B, на яку буде діяти магнітне поле котушки контуру, то напруга між емітером і базою буде змінювати­ся в такт із коливаннями в контурі. Тому транзистор «відкривати­ме» коло протягом певної частини періоду коливань.

Існує багато типів автоколивальних електричних систем. Без них не можна навіть уявити системи зв'язку, радіолокацію, комп'ютери й т. ін.

Питання для самоконтролю:

1. Опишіть властивості p-n -переходу в напівпровідниках.

2. Яку роль у генераторі незатухаючих електромагнітних коли­вань відіграє транзистор?

3. Наведіть приклади автоколивальних систем.

Зміст самостійної роботи:

1. Якісні питання

1. Від чого залежить частота коливань, що виникають у генерато­рі на транзисторі? амплітуда цих коливань?

2. Чому дорівнює частота електромагнітних коливань, що відбу­ваються в генераторі?

2. Розв’яжіть задачу:

Ємність конденсатора коливального контуру 0,01 мкФ. Кон­денсатор зарядили до напруги 40 В и з'єднали з котушкою індук­тивності. У контурі виникли загасаючі коливання. Яка кількість теплоти виділилася за час повного загасання коливань?

Досліди Герца

Багато вчених піддавали сумніву правильність теорії електро­магнітного поля Максвелла. 1886 р. Генріх Герц вирішив постави­ти дослід з метою спростувати теорію Максвелла. Дослід полягав у тому, що у вузькому проміжку незамкнутого контуру збуджува­лася іскра за допомогою високої напруги.

Вібратор Герца випромінював електромагнітні хвилі переважно в напрямку, перпендикулярному до провідника. Вектор цієї хвилі коливався паралельно до вібратора, а вектор — перпенди­кулярно до вібратора. У напрямку осі вібратора випромінювання не відбувається.

Необхідно було знайти спосіб виявлення й дослідження елек­тромагнітних хвиль. Герц використав для цього другий (приймаль­ний) вібратор.

Цей вібратор не приєднували до якогось джерела високої на­пруги. Тому коливання в ньому могли виникнути тільки під дією електромагнітної хвилі. Про виникнення коливань могли свідчи­ти малюсінькі іскри в іскровому проміжку приймального вібрато­ра. Щоб збільшити амплітуду коливань у цьому вібраторі, було ви­користане явище резонансу: власна частота коливань у прийомно­му вібраторі збіглася із власною частотою коливань у випромінюва­чі. Схема досліду Герца показана на рисунку.

Герц не тільки одержав електромагнітні хвилі, але й вивчив їхні властивості. Досліди Герца показали, що електромагнітні хвилі відбиваються від провідника, заломлюються на границі з ді­електриком, можуть інтерферувати, огинати перешкоди, їх мож­на поляризувати. При цьому відбиття, заломлення, інтерферен­ція й дифракція електромагнітних хвиль відбуваються за тими ж законами, що й для світла. Таким чином, Герц експерименталь­но підтвердив висновок Максвелла про електромагнітну природу світла.

Герц писав: «...описані досліди доводять ідентичність світла, теплових променів й електродинамічного хвильового руху».

Зміст самостійної роботи:

1. Якісні питання

1. Горизонтальний провідник, у якому протікає змінний струм високої частоти, розташований уздовж паралелі. У яких на­прямках (переважно) поширюються електромагнітні хвилі від цього провідника?

2. Передавальний і приймальний вібратори розташовані взаємно перпендикулярно. Чи виникнуть коливання в прийомному ві­браторі?