Du har säkert hört om transformatorn förut. Det är de enorma skrymmande sakerna som finns i gatan, som ger slumpmässiga läskiga ljud och ibland spottar gnistor. Din telefonladdare har också en slags liten transformator, men mycket, mycket mindre och med en helt annan mekanism. Men vad är en transformator och hur fungerar den? Det ska vi tar reda på i denna artikel.
Vad är en transformator?
En transformator är en enhet som använder principerna för elektromagnetism för att omvandla en spänning eller ström till en annan. Den består av ett par isolerade trådar lindad runt en magnetkärna. Lindningen till vilken vi ansluter spänningen eller strömmen som ska omvandlas kallas primärlindningen och utgångslindningen kallas sekundärlindningen.
Transformatorer finns i två varianter – steg upp, vilket ökar spänningen eller strömmen, och steg ner, vilket minskar spänningen eller strömingången. Till exempel är transformatorerna i din mikrovågsugn en sekundär transformator som används för att leverera cirka 2200 volt till vakuumröret i mikrovågsugnen.
En sak att notera är att transformatorer bara fungerar med växlings- eller växelspänningar och inte fungerar med likström. Vi ska nu lära oss varför.
Hur viktigt är transformatorer i det elektriska systemet?
Det var omkring 1856 när Nikola Tesla och Thomas Edison hade en rivalitet mot varandra.Det var Edison och hans medarbetare som först upptäckte DC-systemet (likström), sedan en tid efter det kom Tesla med sitt AC-system (växelström). Sedan dess försökte båda bevisa att deras system är mer fördelaktigt än det andra.
Medan Edison var upptagen med att demonstrera hur farligt växelström är genom att elektrodriva elefanter, kom Tesla och hans team med transformatorerna som gjorde överföring av elektricitet mycket enklare och effektivare. Till och med idag spelar transformatorer en viktig roll i överföringssystemet.
Att sända el med höga spänningar och låga strömmar hjälper oss att minska tjockleken på transmissionstrådarna och därmed kostnaden, det ökar också systemets effektivitet. Av detta skäl kan ett standardöverföringssystem vara mellan 22KV och 66KV, medan vissa generatorer i kraftverket endast har en utspänning på 11kV och hushållsapparaten endast behöver 220V / 110V. Så var sker denna spänningsomvandling?
Svaret på frågan är transformatorer. Från kraftverket till ditt hem kommer det att finnas transformatorer i systemet som antingen kommer att öka (öka spänningen) eller stiga ner (minska spänningen) för att bibehålla systemets effektivitet. Det är därför transformatorerna kallas hjärtat i ett elektriskt överföringssystem. Vi lär oss mer om dem i den här artikeln.
Kretssymbolen för en transformator är helt enkelt två induktorer sammansatta sida vid sida som delar samma kärna. Linjen mellan de två lindningarna indikerar vilken typ av kärna som används: En streckad linje representerar ferrit, två parallella linjer representerar laminerat järn och ingen linje representerar luftkärna.
Ibland används antalet ”stötar” som en grov indikator på transformatorfunktionen – mindre stötar på ena sidan och mer på den andra kan innebära att den första sidan har ett mindre antal varv än den andra.
För att förstå hur en transformator fungerar måste vi gå tillbaka i tiden till Michael Faradays laboratorium.
Michael Faraday kan kanske kallas transformatorns far, eftersom det var hans experiment som hjälpte oss att förstå elektromagnetism och utveckla enheter som motorer och generatorer.
I slutet av 1800-talet, när man upptäckte att elektricitet och magnetism var relaterade fenomen, var det en tävling för att försöka bygga en praktisk anordning som kunde utnyttja magneten för att generera el.
Faraday fick reda på att elektricitet kunde genereras genom att föra en magnet nära en trådspole. Vad han upptäckte var att spänningen endast kommer att produceras när magnetfältet förändras, det vill säga om han flyttade antingen spolen eller magneten relativt den andra.
I DC är strömflödet stabilt och magnetfältet också. Eftersom fältet är stabilt och inte förändras, induceras ingen spänning på sekundärsystemet och transformatorn ser bara ut som en normal spole av resistiv ledning till strömförsörjningen. Så transformatorer fungerar inte med likström.
Han fann också att när två trådspolar hölls nära varandra, kan en ström som flyter i en spole framkalla ström i den andra spolen. Denna princip kallas ömsesidig induktans och styr hur alla moderna transformatorer fungerar.
Det finns två typer av el; AC och DC, men transformatorer kan bara fungera med AC eller växelström. När vi ansluter en växelströmsgenerator till en sluten slinga av kabel kan en ström strömma genom denna kabel och strömriktningen kommer att växla fram och tillbaka med generatorns rotation.
Växlingen innebär att strömmen når sin maximala och minsta punkt under cykeln, vilket ger sin sinusvågmönster när den är ansluten till ett oscilloskop.
Du kan tänka på detta som havets tidvatten; när den ändrar riktning och når sin maximala och minsta punkt. När strömmen flyter genom kabeln kommer den att tillåta ett magnetfält. Om vi passerade likström genom kabeln förblir magnetfältet konstant, men om vi passerar växelström genom kabeln kommer magnetfältet att öka och minska i styrka och ändrar polaritet när strömmen ändrar riktning.
Växelström
Om vi placerar flera kablar tillsammans och passerar ström genom dem, kommer magnetfälten att kombineras för att skapa ett starkare magnetfält. Om vi sedan slår in kabeln i en spole blir magnetfältet ännu starkare.
Om vi placerar en andra spole i närheten av den första spolen och sedan passerar växelström med växelström genom den första spolen, kommer magnetfältet det skapar att inducera en ström i den andra spolen och denna magnetiska kraft kommer att trycka och dra på de fria elektronerna tvingar dem att röra sig.
Elektromotorisk kraft
Nyckelkomponenten här är att magnetfältet ändrar polaritet såväl som intensitet. Denna förändring i magnetfältets intensitet och riktning stör ständigt de fria elektronerna i en sekundär spole och detta tvingar dem att röra sig. Denna rörelse är känd som elektromotorisk kraft eller EMF.
Elektromotorisk kraft uppstår inte när vi passerar likströmmen genom primärspolen, och det beror på att magnetfältet är konstant, så elektronerna tvingas inte röra sig. Den enda gången det kommer att orsaka EMF är mycket kort när primärkretsen öppnas och stängs eller när spänningen höjs eller minskas. Och det beror på att dessa åtgärder leder till en förändring av magnetfältet. Därför använder vi växelström eftersom denna förändring sker ständigt.