Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

 Ситуація різко змінюється, коли в коло вторинної обмотки включається опір навантаження R_н і в ній виникає змінний струм J₂(t). Тепер повний магнітний потік Ф у сердечнику створюється обома струмами. Але згідно правилу Ленца магнітний потік Ф_{2 ,}  що створюється індукованим у вторинній обмотці струмом J₂ направлений назустріч потоку Ф₁, що створюється струмом J₁ у первинній обмотці: Ф = Ф₁ - Ф₂. Звідси витікає, що струми J₁ і J₂ змінюються в протифазі, тобто мають  зсув фаз 180°.

Знак мінус означає, що напруга u₁ і u₂ знаходяться в протифазі, також як і струми J₁ і J₂ у обмотках. Тому зсув фаз φ₁ між напругою u₁ і струмом J₁ у первинній обмотці дорівнює  зсуву фаз φ₂ між напругою u₂ і струмом J₂ у вторинній обмотці. Якщо навантаженням вторинної обмотки є активний опір R_нто           φ₁ = φ₂ = 0.

Для амплітудних значень напруги на обмотках можна записати: 
 

Коефіцієнт K = n₂ / n₁ є коефіцієнт трансформації. При K > 1 трансформатор називається підвищувальним  K < 1 - понижуючим.

Написані співвідношення, строго кажучи, описують лише  ідеальний трансформатор,  у якому немає розсіювання магнітного потоку і відсутні втрати енергії на нагрівання провідників. Ці втрати можуть бути пов'язані з наявністю активного опору самих обмоток і виникненням індукційних струмів (струмів Фуко) у сердечнику.

Для зменшення струмів Фуко сердечники транформатора виготовляють зазвичай з тонких сталевих листів, ізольованих один від одного. Існує ще один механізм втрат енергії, пов'язаний з гістерезисними явищами в сердечнику. При циклічному перемагнічуванні феромагнітних матеріалів виникають втрати електромагнітної енергії, прямо пропорційні площі петлі гістерезису

В хороших сучасних трансформаторах втрати енергії при навантаженнях, близьких  до номінальних, не перевищує 1-2 %,  тому для них застосовують теорію ідеального трансформатора .

Якщо нехтувати втратами енергії, то потужність P₁споживана ідеальним трансформатором від джерела змінного струму, дорівнює потужності P₂ , що передається навантаженню.

Звіддки слідує:

тобто струми в обмотках обернено пропорційні числу витків. 

Відношення R_екв = U₁ / I₁ можна розглядати як еквівалентний активний опір первинної обмотки , коли вторинна обмотка навантажена на опір R_н. Таким чином, трансформатор «трансформує» не лише напругу і струми, але і опори.

У сучасній техніці знайшли широке використання трансформатори різних конструкцій. У радіотехнічних пристроях використовуються невеликі, малопотужні трансформатори, що мають звичайне декілька обмоток (що знижують або підвищують напругу джерела змінного струму). У електротехніці часто застосовуються так звані трифазні трансформатори, призначені для одночасного підвищення або пониження трьох напруг, з сувом  по фаз одна відносно одногої на кути 120°.

Потужні трифазні трансформатори використовуються в лініях передач електроенергії на великі відстані.

Передача електричної енергії від електростанцій до великих міст або промислових центрів на відстані тисяч кілометрів є складною науково-технічною проблемою.

Для зменшення втрат на нагрівання дротів необхідно зменшити силу струму в лінії передачі, і, отже, збільшити напругу. Зазвичай лінії електропередачі будуються з розрахунку на напругу 400-500 кВ, при цьому в лініях використовується трифазний струм частотою 50 Гц. На малюнку  представлена схема лінії передачі електроенергії від електростанції до споживача. Схема дає уявлення про використання трансформаторів при передачі електроенергії.

Слід зазначити, що при підвищенні напруги в лініях передачі збільшуються втрати енергії через повітря. У сиру погоду поблизу дротів лінії може виникнути струм, що називається  коронний розряд, який можна виявити по характерному потріскуванню. Коефіцієнт корисної дії лінії передач не перевищує 90 %.