Начнем с определения и принципа работы трансформатора, взятого из школьного учебника по физике (11 класс 2009 года, В.В.Жилко, Л.Г.Маркович, пар.10).

«Трансформатор – это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения…

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Линии индукции магнитного поля, создаваемого переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь (без рассеяния) пронизывают витки вторичной обмотки…

Тип трансформатора характеризуется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной:

k = N₁/N₂…

… при k >1 … трансформатор будет понижающим… при k < 1 … повышающим…

Современные трансформаторы имеют очень высокие КПД (до 95–99%)».

Прочитав внимательно  данный параграф, решив упражнение 9, у меня появилось несколько вопросов:

1.      Почему у трансформатора такой высокий КПД?

2.      Какие бывают виды трансформаторов, чему равен коэффициент трансформации?

3.      И, наконец, почему гудит трансформатор?

В учебнике я ответа на них не нашел. Но, слава богу, есть Интернет, и с его помощью попробуем ответить на поставленные вопросы.

Вопрос 1. Почему у трансформатора такой высокий КПД?

Из учебника мы знаем, что «…при работе трансформатора всегда имеются энергетические потери, связанные с такими физическими процессами, как:

нагревание обмоток трансформатора при прохождении электрического тока;

работа по перемагничиванию сердечника;

рассеяние магнитного потока».

Понятно, что первые две причины больших потерь не создадут. На перемагничивание много энергии не надо, а тепловые потери можно уменьшить, уменьшив сопротивление обмоток. Но как быть с рассеиванием магнитного поля. Почему магнитное поле передаются почти без рассеяния?

Дело в том, что передача магнитного поля осуществляется по специальным магнитопроводам (сердечникам из электротехнической стали или других ферромагнитных веществ) с магнитной проницаемостью намного большей, чем у воздуха или вакуума. Это концентрирует магнитные силовые линии в теле магнитопровода, уменьшая магнитное рассеивание, а кроме того, усиливает плотность магнитного потока в части пространства, занятой магнитопроводом. Последнее приводит к усилению магнитного поля и меньшему потреблению тока "холостого хода", то есть меньшим потерям.

Если подробнее, то, как известно, магнитные силовые линии - концентричные и замкнутые сами на себя "кольца", охватывающие проводник с током. Прямой проводник с током охватывается кольцами магнитного поля по всей длине. Если изогнуть проводник кольцом, все магнитные линии, распределенные по длине окружности "собьются в кучку" внутри кольца. Вот внутрь кольца и вставляется сердечник. К сожалению, по геометрическим причинам магнитные замкнутые сердечники никак не могут заполнить все пространство вокруг обмотки трансформатора. Поэтому магнитные силовые линии, охватывающие виток обмотки трансформатора находятся в неравных условиях по периметру витка. Одним силовым линиям "повезло" больше и они проходят только по облегченному маршруту сердечника, другим же приходится часть пути проходить по сердечнику (внутри витка), а остальную по воздуху, для создания замкнутого силового "кольца". Магнитное сопротивление воздуха почти гасит такие линии поля и соответственно нивелирует наличие той части витка, которая породила эту магнитную линию.

Из всего вышесказанного следует вывод - в работе трансформатора с замкнутым ферромагнитопроводом принимает участие не весь виток, а только небольшая часть, которая полностью окружена этим магнитопроводом. Другая часть проходящая по воздуху очень мала, поэтому малы и потери.

Ответив на первый вопрос, переходим ко второму:

Вопрос 2. Какие бывают виды трансформаторов, чему равен коэффициент трансформации?

Данный вопрос возник при решении задачи №2 упражнения 9. Цитата: «…Каким должно быть отношение k числа витков во вторичной и первичной обмотках трансформатора…». Ученики сразу начали находить по формуле коэффициент трансформации, а у меня возник вопрос, неужели не нашлось другой буквы, чтобы обозначить искомое отношение? Но полистав другие учебники, я был, мягко говоря, удивлен. Например, в «Справочном руководстве по физике» (авторы Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев, М., 1989 г) на стр.273 k = N₂/N₁. С точностью до наоборот! Такая же формула у А.И.Слободянюка в его книге «Физика для избранных. Магнитостатика, электродинамика, теория колебаний», 2011 г.

Но у других авторов, формула как в нашем школьном учебнике (Н.М.Лебедева, И.Л.Касаткина, О.Ф.Кабардин и т.д.). В чем же дело?

А все дело в правильном определении. Коэффициент трансформации трансформатора - это величина, выражающая масштабирующую (преобразовательную) характеристику трансформатора относительно какого-нибудь параметра электрической цепи (напряжения, тока, сопротивления и т.д.).

Таким образом, есть коэффициент трансформации напряжения, а есть коэффициент трансформации силы тока. И это определяется видами трансформатора.

Трансформатор тока — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.

I₂=I₁/k, или k =I₁/ I₂= N₂/ N₁ (формула примерная, для режима холостого хода).

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

По ГОСТ 18685-73 (устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области видов, параметров, характеристик и элементов трансформаторов тока и напряжения), k = U₁/U₂= N₁/N₂.

И, наконец, третий вопрос.

Вопрос 3. Почему гудит трансформатор?

Вопрос задали ученики, а чтобы ответить на него, пришлось изрядно попотеть. Оказалось, гудение гудению разница! Если трансформатор гудит громко, скорее всего, повреждена изоляция витков катушки. Между соседними витками, лишёнными изоляции могут проскакивать искры, сопровождаемые звуковыми щелчками, аналогично тому, как во влажную погоду начинают сильно гудеть провода линий высокого напряжения.

Возможны и другие причины. К примеру, пластины недостаточно сильно скреплены. Они могут, притягиваясь магнитным полем, банально ударяться друг о друга. Возможно, виновата сама обмотка: если витки неплотно уложены, особенно при больших токах, медные провода тоже могут вибрировать.

Однако, в современных трансформаторах ослабленная обмотка и плохо склеенные пластины не встречаются. Тогда основную роль в гудении начинают играть тонкие материи, а именно явление магнитострикции и электрострикции.

Магнитострикция — явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объем и линейные размеры изменяются. Эффект вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойственен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов, из которых обычно и изготавливается сердечник.

Эти линейные колебания и порождают колебания прилегающего воздуха, звуковые колебания, воспринимаемые человеческим ухом как "гудение".

Электрострикция — эффект изменения линейных размеров вещества при приложении к нему электрического поля. Наблюдается абсолютно во всех веществах.

Связь между деформацией и электрическим полем является квадратичной. Линейная связь между деформацией и электрическим полем наблюдается в пьезоэлектриках.

Оба явления изменения линейных размеров тела под действиями электро и магнитных полей проявляются в виде низкочастотного гудения даже в технологичных современных трансформаторах, так как количество элементов в них крайне велико и в совокупности они, так или иначе, выдают характерный гул.