Будова трансформатора. 
Виробництво, передавання та використання енергії електричного струму

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає).

Трансформатор — це прилад, призначений для перетворення параметрів змінного струму, що складається із виготовленого з м’якого феромагнетики осердя замкненої форми, на якому встановлено дві обмотки — первинну і вторинну.

Уперше трансформатор сконструював у 1878 році російський вчений П. М. Яблочков, а на початку XX ст. його вдосконалив професор С. М. Усатий і професор Київського університету М. Й. Доліво — Добровольський.

Трансформатор складається із замкненого осердя з феромагнетику, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток з дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують «навантаження», що споживає енергію, називають вторинною (мал.).

В основу роботи трансформатора покладено явище електромагнітної індукції. Розглянемо принцип дії трансформатора. Нехай на вхід трансформатора подається змінна напруга U1. В осерді трансформатора виникає змінний магнітний потік, який пронизує як первинну, так і вторинну обмотки трансформатора. У первинній і вторинній обмотках відповідно виникають ЕРС самоіндукції:

е1 = - N1ДФДt і е2 = - N2ДФДt.

де N1 і N2 — кількість витків первинної і вторинної обмоток.

Визначимо напруги на вході і виході трансформатора:

U1 = I1R1 — е1 = I1R1 + N1ДФДt і U2 = I2R2 — е2 = I2R2 + N2ДФДt.

де R1і R2 — відповідно опори первинної і вторинної обмоток трансформатора; I1 і I2 — сили струмів, які проходять по первинній і вторинній обмотках.

Розглянемо випадок, коли вторинна обмотка розімкнена, тобто І2 = 0 (холостий хід). Технічні трансформатори конструюють так, щоб виконувалась умова I1R1 «е1, тобто обмотки трансформатора мають невеликий активний опір, але велику індуктивність. Поділивши почленно одне на одне рівняння напруг, отримаємо.

U1 U2 = N1 N2.

Напруга на кінцях первинної обмотки трансформатора так відноситься до напруги на кінцях його вторинної обмотки, як кількість витків первинної обмотки відноситься до кількості витків вторинної обмотки.

Це відношення називають коефіцієнтом трансформації k:

k = N1 N2.

Якщо к > 1, то трансформатор буде знижувальним, якщо к < 1 — підвищувальним.

Трансформатор перетворює змінний електричний струм так, що відношення сили струму до напруги приблизно однакове в первинній і вторинній обмотках.

За допомогою трансформатора знижують значення сили струму і збільшують напругу під час передавання електричної енергії. Це сприяє зниженню теплових втрат. Враховуючи, що потужність сили струму визначається добутком напруги і сили струму, таке зменшення сили струму не змінить переданої потужності.