Τι είναι ένας μετασχηματιστής;

Ένας μετασχηματιστής είναι μια στατική ηλεκτρική συσκευή που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο ή περισσότερων κυκλωμάτων.

Έχετε δει ποτέ τις μεγάλες γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα οδικό ταξίδι που εκτείνεται στην ύπαιθρο. Αυτές οι γραμμές παρέχουν ρεύμα στα σπίτια μας και συνήθως ονομάζονται σε τάσεις από 400.000 έως 750.000 βολτ. Το ερώτημα είναι πώς είναι χρήσιμες τέτοιες υψηλές τάσεις για τις καθημερινές μας συσκευές, οι οποίες συνήθως λειτουργούν με 110 και 240 βολτ! Αν προσπαθήσατε να τροφοδοτήσετε τον φορητό υπολογιστή ή το κινητό σας απευθείας από μία από τις γραμμές τροφοδοσίας, η συσκευή θα καεί αμέσως, οπότε πού και πώς μετατρέπεται αυτή η υψηλή τάση σε χαμηλότερη τάση; Εκεί μπαίνει ο μετασχηματιστής και παίζει τον κεντρικό του ρόλο. Τώρα, ας προσπαθήσουμε πρώτα να κατανοήσουμε λίγο περισσότερα σχετικά με τα συστήματα ισχύος υψηλής τάσης προτού προχωρήσουμε στην κατανόηση του μετασχηματιστή.

Συστήματα υψηλής τάσης

Μια λογική ερώτηση που μπορεί να προκύψει είναι γιατί οι γραμμές τροφοδοσίας δεν εκπέμπουν μόνο στα 125-240 βολτ; Για να το εξηγήσουμε αυτό, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε πώς συμπεριφέρεται ο ηλεκτρισμός όταν ταξιδεύει σε μια συγκεκριμένη απόσταση. Καθώς ο ηλεκτρισμός ρέει κάτω από ένα μεταλλικό σύρμα, τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας μαζί τους. Όταν περνά μέσα από το σύρμα, τα ηλεκτρόνια χάνουν κάποια ποσότητα της ενέργειας που μεταφέρουν λόγω της εμπειρίας αντίστασης από το ηλεκτρόνιο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα καλώδια ζεσταίνονται τόσο πολύ όταν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτά. Αποδεικνύεται ότι όσο υψηλότερη είναι η τάση της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείτε και όσο χαμηλότερο είναι το ρεύμα, τόσο λιγότερη ενέργεια σπαταλιέται. Έτσι, η ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής αποστέλλεται στα καλώδια σε εξαιρετικά υψηλές τάσεις για εξοικονόμηση ενέργειας.

Οι μετασχηματιστές παράγουν ένα ελαφρώς διαφορετικό είδος βόμβου ανάλογα με το αν λειτουργούν σε συχνότητα 50 ή 60 Hz. (Φωτογραφία :Flicker)

Ωστόσο, υπάρχει και ένας άλλος λόγος. Ο βιομηχανικός εξοπλισμός διαθέτει μηχανήματα μεγάλου μεγέθους που καταναλώνουν ενέργεια σε τεράστιες ποσότητες. Η ενέργεια που χρησιμοποιεί μια συσκευή είναι ευθέως ανάλογη με την τάση που χρησιμοποιεί. Αυτά τα μηχανήματα που απαιτούν ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιούν 10.000–30.000 βολτ. Οι βιομηχανίες μικρής κλίμακας μπορεί να χρειάζονται προμήθειες μόνο 400 βολτ περίπου. Για να το θέσω με απλά λόγια, διαφορετικά στρώματα της κοινωνίας έχουν διαφορετικές ανάγκες κατανάλωσης ενέργειας. Είναι λογικό να αποστέλλεται ηλεκτρική ενέργεια υψηλής τάσης από τον σταθμό παραγωγής ενέργειας και στη συνέχεια να μετατρέπεται σε χαμηλότερη τάση όταν φτάσει στους διάφορους προορισμούς του.

Μετασχηματιστής

Ένας μετασχηματιστής μπορεί να είναι μια στατική ηλεκτρική συσκευή που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο ή περισσότερων κυκλωμάτων. Ένας μετασχηματιστής βασίζεται επίσης σε έναν πολύ θεμελιώδη νόμο του ηλεκτρομαγνητισμού, δηλαδή ότι όταν ένα κυμαινόμενο ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από ένα καλώδιο, δημιουργεί μια μαγνητική ροή γύρω του. Η ισχύς της πυκνότητας της μαγνητικής ροής σχετίζεται άμεσα με το μέγεθος του ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα, τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο. Υπάρχει ένα ενδιαφέρον φαινόμενο που σχετίζεται με τον τρόπο συμπεριφοράς του ηλεκτρισμού. Όταν ένα μαγνητικό πεδίο προκαλείται γύρω από ένα καλώδιο, δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στο καλώδιο, οπότε αν βάλουμε το δεύτερο πηνίο του σύρματος δίπλα στο πρώτο και στείλουμε ένα κυμαινόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πρώτο πηνίο, θα είμαστε σε θέση να δημιουργήστε ηλεκτρικό ρεύμα στο δεύτερο καλώδιο. Αυτό που κάναμε εδώ είναι να περάσουμε ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του χώρου από το ένα πηνίο σύρματος στο άλλο. Αυτό ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, καθώς το ρεύμα στο πρώτο πηνίο προκαλεί (ή «επάγει») ένα ρεύμα στο δεύτερο πηνίο.

(Φωτογραφία:Eviatar Bach/Wikimedia Commons)

Για να φτιάξουμε ένα πηνίο από σύρμα, απλώς τυλίγουμε το σύρμα σε στροφές. Εάν το δεύτερο πηνίο έχει τον ίδιο αριθμό στροφών με το πρώτο πηνίο, το ηλεκτρικό ρεύμα στο δεύτερο πηνίο θα είναι ουσιαστικά το ίδιο μέγεθος με αυτό στο πρώτο πηνίο. Ωστόσο, η ενδιαφέρουσα πτυχή των μετασχηματιστών είναι ότι εάν έχουμε περισσότερες ή λιγότερες στροφές στο δεύτερο πηνίο, μπορούμε να κάνουμε το δευτερεύον ρεύμα και τάση μεγαλύτερο ή μικρότερο από το πρωτεύον ρεύμα και τάση. Είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσετε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να είναι κυμαινόμενο. Με άλλα λόγια, το ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει να είναι εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) όταν πρόκειται για μετασχηματιστές. Οι μετασχηματιστές δεν λειτουργούν με ρεύμα σταθερής κατάστασης ή συνεχές ρεύμα (DC).

Μετασχηματιστές Step Up και Step Down

Εάν το δεύτερο πηνίο έχει τις μισές στροφές από το πρώτο πηνίο, η δευτερεύουσα τάση θα είναι το ήμισυ του μεγέθους της κύριας τάσης. αν το δεύτερο πηνίο έχει το ένα δέκατο όσες στροφές, έχει το ένα δέκατο της τάσης. Σε γενικές γραμμές, ένας μετασχηματιστής βαθμίδας έχει 1000 πηνία στο πρωτεύον και 100 πηνία στο δευτερεύον. Αυτό θα μειώσει την τάση κατά ένα συντελεστή 10, αλλά θα πολλαπλασιάσει το ρεύμα με έναν παράγοντα 10 ταυτόχρονα. Η ισχύς σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι ίση με το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος. Σε έναν μετασχηματιστή, μπορείτε να δείτε ότι η ισχύς στο δευτερεύον πηνίο είναι θεωρητικά η ίδια με την ισχύ στο πρωτεύον πηνίο, αλλά σε όλες τις πρακτικές, πραγματικές ρυθμίσεις, υπάρχει κάποια απώλεια ισχύος μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος. της μαγνητικής ροής διαρρέει από τον πυρήνα, χάνεται κάποια ενέργεια επειδή θερμαίνεται ο πυρήνας και ούτω καθεξής.

Στην περίπτωση ενός μετασχηματιστή ανόδου, οι δευτερεύουσες περιελίξεις περιέχουν τεράστιο αριθμό στροφών σε σύγκριση με τις πρωτεύουσες περιελίξεις. Αυτοί οι μετασχηματιστές έχουν συνήθως πολύ μεγάλο λόγο στροφών. Ο λόγος στροφών μπορεί να οριστεί ως ο λόγος μεταξύ του αριθμού των δευτερευόντων περιελίξεων και του αριθμού των πρωτευουσών περιελίξεων. Αυτοί οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται σε καταστάσεις όπου η τιμή τάσης που παράγεται στην παραγωγή ενέργειας αυξάνεται και προετοιμάζεται για μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η τιμή ρεύματος δεν είναι πρακτική για μετάδοση ενέργειας και πρέπει να μειωθεί λόγω απωλειών ισχύος μετάδοσης (R × I*I, όπου R σημαίνει αντίσταση και I σημαίνει ρεύμα). Η μετάδοση ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις δεν θα ήταν δυνατή χωρίς μετασχηματιστές και τώρα ξέρετε λίγο περισσότερα για το πώς οι μετασχηματιστές παίζουν καθοριστικό ρόλο στην καθημερινή μας ηλεκτρική ζωή!