Трансформатор

Содержание и основные понятия

Переменный поток в сердечнике создаёт ЭДС во вторичной обмотке. Отношение напряжений приблизительно равно отношению числа витков.
ФГОС · 11 класс
ФОП · базовый уровень
интерактивная модель
трансформатор
первичная обмотка
сердечник
линия электропередачи
01
Физическая картина
Что происходит и какие границы имеет модель.
Главная идея
Переменный поток в сердечнике создаёт ЭДС во вторичной обмотке. Отношение напряжений приблизительно равно отношению числа витков.
Трансформатор не работает от строго постоянного тока.
Повышение напряжения при той же мощности уменьшает ток и потери в линиях.
Реальный КПД снижают нагрев обмоток, вихревые токи и рассеяние поля.
Как рассуждать
Сначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.
02
Законы и величины
Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.
U
2
U
1
=
N
2
N
1
\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}
U
1
​
U
2
​
​
=
N
1
​
N
2
​
​
коэффициент трансформации
U
1
I
1
η
=
U
2
I
2
U_1I_1\eta=U_2I_2
U
1
​
I
1
​
η
=
U
2
​
I
2
​
баланс мощности
Разбор ситуации
Перед передачей энергии напряжение повышают, чтобы уменьшить ток и потери I²R в проводах.
04
Связи и применение
В реальном мире
Перед передачей энергии напряжение повышают, чтобы уменьшить ток и потери I²R в проводах.
Проверка модели
Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.
Ц
Что нужно понимать
Результат 1
Объяснять физический смысл темы «Трансформатор» через модель, а не только через формулу.
Результат 2
Различать и корректно использовать термины: трансформатор, первичная обмотка, сердечник.
Результат 3
Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.
Т
Термины темы
Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.
трансформатор
Электромагнитное устройство для изменения переменного напряжения и тока посредством индукции.
первичная обмотка
Обмотка трансформатора, подключённая к источнику переменного напряжения.
сердечник
Магнитопроводящий элемент, усиливающий и направляющий магнитный поток катушки или трансформатора.
линия электропередачи
Система проводников и оборудования для передачи электрической энергии на расстояние.
Ф
Происхождение и вывод формул
Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.
U
2
U
1
=
N
2
N
1
\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}
U
1
​
U
2
​
​
=
N
1
​
N
2
​
​
следствие модели
Коэффициент трансформации.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
E
1
=
−
N
1
d
Φ
d
t
,
E
2
=
−
N
2
d
Φ
d
t
\mathcal{E}_1=-N_1\frac{d\Phi}{dt},\qquad\mathcal{E}_2=-N_2\frac{d\Phi}{dt}
E
1
​
=
−
N
1
​
d
t
d
Φ
​
,
E
2
​
=
−
N
2
​
d
t
d
Φ
​
Общий переменный поток сердечника создаёт ЭДС Фарадея в обеих обмотках.
E
2
E
1
=
N
2
N
1
\frac{\mathcal{E}_2}{\mathcal{E}_1}=\frac{N_2}{N_1}
E
1
​
E
2
​
​
=
N
1
​
N
2
​
​
Одинаковая скорость изменения потока сокращается в отношении ЭДС.
U
1
≈
E
1
,
U
2
≈
E
2
U_1\approx\mathcal{E}_1,\ U_2\approx\mathcal{E}_2
U
1
​
≈
E
1
​
,
U
2
​
≈
E
2
​
В идеальном трансформаторе падениями напряжения в обмотках пренебрегают.
Условия:
Идеальный трансформатор, синусоидальный режим, общий поток для всех витков, пренебрежимо малые сопротивления обмоток и потоки рассеяния.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
U
1
I
1
η
=
U
2
I
2
U_1I_1\eta=U_2I_2
U
1
​
I
1
​
η
=
U
2
​
I
2
​
следствие модели
Баланс мощности.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
P
1
=
U
1
I
1
,
P
2
=
U
2
I
2
P_1=U_1I_1,\qquad P_2=U_2I_2
P
1
​
=
U
1
​
I
1
​
,
P
2
​
=
U
2
​
I
2
​
Для нагрузочного режима входную и выходную активные мощности выражают через действующие напряжения и токи.
η
:
=
P
2
P
1
\eta:=\frac{P_2}{P_1}
η
:=
P
1
​
P
2
​
​
КПД определяют как отношение полезной выходной мощности к потребляемой.
P
2
=
η
P
1
⇒
U
1
I
1
η
=
U
2
I
2
P_2=\eta P_1\quad\Rightarrow\quad U_1I_1\eta=U_2I_2
P
2
​
=
η
P
1
​
⇒
U
1
​
I
1
​
η
=
U
2
​
I
2
​
Подстановка мощностей даёт баланс с учётом потерь.
Условия:
Установившийся режим трансформатора; U и I — действующие значения, коэффициенты мощности обеих сторон приняты равными единице либо уже учтены.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
!
Границы модели и типичные ошибки
Ошибка: забыть условие модели
Нельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Трансформатор не работает от строго постоянного тока.
Как проверить рассуждение
Повышение напряжения при той же мощности уменьшает ток и потери в линиях. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.
Σ
Вывод по теме
Трансформатор
Переменный поток в сердечнике создаёт ЭДС во вторичной обмотке. Отношение напряжений приблизительно равно отношению числа витков.
Трансформатор не работает от строго постоянного тока.
Повышение напряжения при той же мощности уменьшает ток и потери в линиях.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.
Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.