Weird Science

Transformacja i płonący zwój

Trans­for­ma­tor

Czym jest trans­for­ma­tor? Spróbujmy okre­ślić zna­cze­nie tego słowa w spo­sób ety­mo­lo­giczny. Już na pierw­szy rzut oka koja­rzy się ono z trans­for­ma­cją czyli prze­mianą jakie­goś typu. I rze­czy­wi­ście, słowo to pocho­dzi od łacińs­kiego trans­for­mare czyli prze­ksz­tałcać. Trans­for­ma­tor jest więc maszyną elek­tryczną, której zada­niem jest zmiana pozio­mów napięć lub prądów w obwo­dach prądu zmien­nego.

Trans­for­ma­tor działa na zasa­dzie prze­no­sze­nia ener­gii elek­trycz­nej prądu prze­mien­nego drogą induk­cji z jed­nego obwodu elek­trycz­nego do dru­giego, z zacho­wa­niem pier­wot­nej często­tli­wo­ści. Zwy­kle zmie­niane jest rów­no­cze­śnie napięcie elek­tryczne. Wyjąt­kiem jest jedy­nie trans­for­ma­tor sepa­ra­cyjny, który nie zmie­nia napięcia.

Trans­for­ma­tor zbu­do­wany jest z dwóch lub więcej cewek (zwa­nych uzwo­je­niami), nawi­niętych na wspólny rdzeń magne­tyczny wyko­nany zazwy­czaj z mate­riału fer­ro­ma­gne­tycz­nego. Oba obwody są zazwy­czaj odse­pa­ro­wane gal­wa­nicz­nie. Ozna­cza to, że nie ma połącze­nia elek­trycz­nego pomiędzy uzwo­je­niami, a ener­gia prze­ka­zy­wana jest wyłącz­nie przez pole magne­tyczne sku­pione w rdze­niu. Budowę pro­stego trans­for­ma­tora obra­zuje sche­mat:

Ilustracja

Zasada dzia­ła­nia trans­for­ma­tora jest bar­dzo pro­sta. Uzwo­je­nie pier­wotne pod­łączone jest do źródła prądu prze­mien­nego. Powo­duje to prze­pływ w nim prądu prze­mien­nego. Prze­mienny prąd wywo­łuje pow­sta­nie zmien­nego pola magne­tycz­nego. Zmienny stru­mień pola magne­tycz­nego, prze­wo­dzony przez rdzeń trans­for­ma­tora, prze­pływa przez uzwo­je­nie wtórne. Zmiana stru­mie­nia pola magne­tycz­nego w cew­kach wtór­nych wywo­łuje zja­wi­sko induk­cji elek­tro­ma­gne­tycz­nej – pow­staje w nich zmienna siła elek­tro­mo­to­ryczna.

Pomiędzy liczbą zwo­jów uzwo­je­nia pier­wot­nego i wtór­nego, a napięciami po stro­nie pier­wot­nej i wtór­nej zacho­dzi ści­sły związek. Jeśli napięcia ozna­czymy U, zaś liczby zwo­jów n, przy czym indeks 1 ozna­cza stronę pier­wotną, zaś 2 wtórną to zacho­dzi rów­ność:

U1/U2=n1/n2

Jeśli n1=n2 to napięcie wtórne jest równe pier­wot­nemu (U1=U2). I wła­śnie taki trans­for­ma­tor nazy­wamy sepa­ru­jącym. W każdym innym przy­padku napięcie wtórne jest różne od pier­wot­nego: więk­sze (n2n1), lub mniej­sze (n1n2). Tak więc trans­for­ma­tor umożl­i­wia zmianę (trans­for­ma­cję) wyso­ko­ści napięcia prądu zmien­nego.

A jaka jest sytu­a­cja w przy­padku war­to­ści prądów po obu stro­nach trans­for­ma­tora? Cof­nijmy się tro­chę i przy­pom­nijmy sobie zasadę zacho­wa­nia ener­gii. Jak pamiętamy, ener­gia nie może pow­stać z niczego (pro­blem sła­wet­nego per­pe­tuum mobile), ani też znik­nąć bez­pow­rot­nie. Dosto­so­wu­jąc to do prądu elek­trycz­nego możemy powie­dzieć, że w przy­padku mocy prądu elek­trycz­nego po obu stro­nach trans­for­ma­tora musi zajść rów­ność:

P1=P2

Moc pobrana na uzwo­je­niu pier­wot­nym musi być równa mocy odda­nej z uzwo­je­nia wtór­nego. Nie bie­rzemy tutaj jed­nak pod uwagę strat występu­jących w ukła­dach rze­czy­wi­stych, a powo­do­wa­nych na przy­kład prądami wiro­wymi w rdze­niu lub ota­cza­jących go, meta­lo­wych przed­mio­tach. Pamięta­jąc, że moc prądu elek­trycz­nego jest okre­ślona wzo­rem P=I*U łatwo wypro­wa­dzamy, że:

I2/I1=n1/n2

Widzimy, że zależn­ość dla prądu jest odw­rotna niż dla napięcia. Ozna­cza to, że trans­for­ma­tor nie jest żad­nym per­pe­tuum mobile: za jego pomocą możemy zwięk­szyć napięcie, lecz spo­wo­duje to jed­no­cze­śnie spa­dek prądu i vice versa.

Pamiętajmy też, że prze­pływ prądu elek­trycz­nego przez prze­wod­nik powo­duje jego nagrze­wa­nie. Nagrze­wa­nie to jest tym więk­sze, im więk­sza jest war­tość tego prądu.

Pokaz!

Ostrze­że­nie: Ten pokaz wyko­rzy­stu­jący układ ZVS jest bez­piecz­niej­szy od innych ponie­waż nie występuje tutaj wyso­kie napięcie. Docho­dzi jed­nak do bar­dzo sil­nego roz­grze­wa­nia pier­ście­nia z drutu i dla­tego należy zacho­wać ostrożn­ość. Pokaz należy prze­pro­wa­dzić na nie­pal­nej powierzchni, z dala od pal­nych mate­ria­łów. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Spróbujmy wyko­rzy­stać tę wie­dzę w prak­tyce. Chcąc osiągnąć jak naj­więk­sze nagrze­wa­nie się po stro­nie wtór­nej musimy uzy­skać dużą war­tość prądu w tym uzwo­je­niu. Korzy­sta­jąc z powyższych wzo­rów znaj­du­jemy, że w takim wypadku uzwo­je­nie wtórne musi zawie­rać mniej zwo­jów niż po stro­nie pier­wot­nej - w takim wypadku pow­sta­nie niższe napięcie, ale więk­szy prąd. Redu­ku­jąc liczbę zwo­jów uzwo­je­nia wtór­nego docho­dzimy do momentu kiedy będzie ono zawie­rało tylko jeden zwój:

Ilustracja

W takim wypadku napięcie wyj­ściowe będzie tyle razy mniej­sze od wej­ścio­wego ile zwo­jów zawiera uzwo­je­nie pier­wotne (a prąd tyleż razy więk­szy). Dobrym źródłem prądu zmien­nego jest zbu­do­wany na pod­sta­wie opisu z mojej strony gene­ra­tor ZVS. Z rdze­nia fer­ry­to­wego w tym przy­padku zdej­mu­jemy uzwo­je­nie wyso­ko­na­pięciowe i zamiast niego zakła­damy pier­ścień wyko­nany z dosyć gru­bego drutu. Po uru­cho­mie­niu prze­twor­nicy drut z powodu dużej war­to­ści prądu w nim zain­du­ko­wa­nego roz­grzeje się do czer­wo­no­ści. Przy więk­szym mocach sto­pie­niu ulega wtedy nawet drut sta­lowy o śred­nicy 0,5mm co wymaga naprawdę wyso­kiej tem­pe­ra­tury. Pier­ścień nie powi­nien być cia­sno nasu­nięty na rdzeń ponie­waż może on pęk­nąć od sil­nie nagrza­nego drutu. Poni­żej przed­sta­wiam mój fil­mik. Pier­ścień został wyko­nany z drutu sta­lo­wego i bar­dzo szybko nagrzał się do bia­ło­ści i uległ sto­pie­niu.

Obwód uzwo­je­nia wtór­nego zostaje przer­wany w momen­cie sto­pie­nia drutu, przez co dal­sze ogrze­wa­nie nie zacho­dzi.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa