Transformator i prąd stały

Podstawy programowe: GCSE, Sek I/II

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Sprawdzić, czy transformator działa przy prądzie stałym, i zobaczyć, że napięcie w uzwojeniu wtórnym pojawia się tylko wtedy, gdy zmienia się natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym.

Układ

Źródło napięcia stałego 6 V jest podłączone przez wyłącznik i amperomierz do uzwojenia pierwotnego transformatora (2000 zwojów, opór 40 Ω). Do uzwojenia wtórnego (1400 zwojów) są podłączone żarówka 3,5 V / 0,5 W i woltomierz w trybie DC. Wyłącznik jest rozwarty.

Przebieg doświadczenia

1. Zamknąć wyłącznik. Obserwować żarówkę i amperomierz.
2. Odczekać kilka sekund. Zapisać wskazania amperomierza i woltomierza.
3. Rozewrzeć wyłącznik. Obserwować żarówkę.
4. Powtórzyć doświadczenie przy mniejszej szybkości symulacji, aby lepiej zobaczyć błyski.

Oczekiwany wynik

Po zamknięciu wyłącznika natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym rośnie stopniowo, w ciągu ułamka sekundy, i ustala się na około 0,15 A: ogranicza je opór uzwojenia. Strumień zmienia się powoli, indukowane napięcie jest małe i żarówka ledwo świeci — włókno zaledwie zaczyna się żarzyć na czerwono, co widać tylko w ciemności. Dopóki natężenie prądu jest stałe, woltomierz na uzwojeniu wtórnym wskazuje 0, a żarówka nie świeci. Po rozwarciu wyłącznika prąd gwałtownie się przerywa i żarówka jasno błyska — dwa razy jaśniej niż przy napięciu znamionowym — i gaśnie w ciągu ćwierci sekundy: indukowany prąd ma natężenie około 0,2 A, 1,4 raza więcej niż jej prąd znamionowy. Napięcie w uzwojeniu wtórnym indukuje tylko zmienny strumień magnetyczny, dlatego transformator nie działa przy prądzie stałym.

Natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym nie jest ograniczone przypadkowo. Rdzeń rzeczywistego transformatora może się nasycić przy prądzie stałym, a silny prąd przy rozwarciu przeszedłby do obwodu wtórnego w proporcji wynikającej z liczby zwojów i przepaliłby żarówkę.

Pytania

1. Dlaczego żarówka błyska jaśniej przy rozwarciu wyłącznika niż przy jego zamknięciu?
2. Dlaczego natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym nie rośnie natychmiast po zamknięciu wyłącznika?
3. Dlaczego transformatory stosuje się tylko w obwodach prądu przemiennego?

Odpowiedzi

1. Po zamknięciu wyłącznika natężenie prądu i strumień magnetyczny rosną stopniowo, a powolna zmiana strumienia indukuje tylko małe napięcie. Przy rozwarciu prąd pierwotny 0,15 A ustaje niemal natychmiast, a energia zgromadzona w polu magnetycznym rdzenia przechodzi do obwodu wtórnego: strumień podtrzymuje przez żarówkę prąd około 0,15 A · 2000 / 1400 ≈ 0,2 A, 1,4 raza większy niż jej prąd znamionowy.
2. Uzwojenie ma 2000 zwojów na stalowym rdzeniu, a więc dużą indukcyjność. Rosnący prąd wytwarza rosnący strumień magnetyczny, a ten strumień indukuje w uzwojeniu napięcie przeciwdziałające wzrostowi prądu (samoindukcja), więc natężenie prądu stopniowo zbliża się do 6 V / 40 Ω ≈ 0,15 A.
3. Transformator przekazuje energię tylko przez zmienny strumień magnetyczny; prąd stały wytwarza stały strumień i uzwojenie wtórne nie daje napięcia. Przy prądzie stałym natężenie prądu pierwotnego ogranicza ponadto tylko opór uzwojenia: przy domyślnym uzwojeniu pierwotnym o 500 zwojach (2,5 Ω) źródło 6 V wymusiłoby w nim prąd około 1,9 A, a rzeczywiste uzwojenie by się przegrzało.