Р2 = U2∙I2 = 11 В ∙ 40 А = 440 Вт).
Это не случайный результат, не типичный, а единственно возможный. Мощность, потребляемая во вторичной цепи, не может быть больше, чем поступает в первичную цепь от генератора, поскольку трансформатор — это всего лишь трансформатор, преобразователь, а не вечный двигатель. Ну а меньше мощность во вторичной цепи тоже быть не может — мы договорились, что рассматриваем работу трансформатора без учёта потерь.
Т-159. Сопротивление нагрузки в цепи вторичной обмотки трансформатора определяет режим его первичной цепи — создаёт в ней вносимое сопротивление. Итак, при определённом напряжении U1, поступающем от генератора (например, из сети), напряжение U2 во вторичной обмотке определяется самим устройством трансформатора — его коэффициентом трансформации. А вот что касается токов I1 и I2, то они зависят ещё и от сопротивления нагрузки R2 (мы обычно обозначали её Rн), которая подключена ко вторичной обмотке. Чем больше нагрузка, то есть чем меньше сопротивление R2, тем при неизменном напряжении U2 больше ток I2 — закон Ома!
Ну а раз при неизменном напряжении растёт ток, то увеличивается и потребляемая нагрузкой мощность Р2. При этом, соответственно, должна быть больше получаемая от генератора мощность Р1 и вместе с ней ток I1.Иными словами, сопротивление нагрузки во вторичной цепи трансформатора влияет на режим его первичной цепи, как бы вносит в первичную цепь некоторое сопротивление Rвн, которое и определяет ток в этой первичной цепи. Зависит вносимое сопротивление Rвн также и от коэффициента трансформации и, причём зависит очень сильно, в квадрате. Отсюда следует, что очень опасно неумеренно увеличивать нагрузку, то есть уменьшать Rн, это может привести к недопустимо большим токам в обмотках, к перегреву трансформатора и непоправимому разрушению тонкого изолирующего слоя на проводах.
Р-182.Число оборотов асинхронного двигателя всегда меньше, чем следует из приближённых расчётов. Происходит это потому, что само существование двигателя, само движение его ротора связаны с появлением у этого ротора собственного магнитного поля, которое следует за вращающимся полем статора. А ток, создающий поле ротора, наводится в нём внешними магнитами, если поле ротора несколько смещается относительно их поля, например, если сам ротор движется чуть медленнее внешнего поля.
Р-74. ВЗАИМОИНДУКЦИЯ — ИЗМЕНЕНИЕ ТОКА В ОДНОЙ КАТУШКЕ НАВОДИТ Э.Д.С. В СОСЕДНЕЙ. Этот процесс с короткими комментариями уже появлялся на наших рисунках (Р-54 и другие), но будущие темы требуют, чтобы напомнить о нём ещё раз. Представьте себе две катушки, расположенные рядом на общем ферромагнитном сердечнике. Если по одной катушке L1 пропустить постоянный ток от батареи Б, то он создаст в сердечнике постоянное магнитное поле, которое охватит также витки катушки L2. Но никакой э.д.с. при этом в катушке L2 не наведётся — э. д.с. электромагнитной индукции появляется в катушке только в том случае, когда меняется магнитное поле, в котором она находится. В этом можно убедиться, перемещая движок переменного сопротивления R. При этом перемещении будет меняться ток в цепи катушки L1, а значит, и магнитное поле, созданное этим током. В моменты изменений магнитного поля (только в моменты изменений!) будет появляться э.д.с. в катушке L2.
Теперь, забегая вперед, подведём к катушке L1 не постоянное, а переменное напряжение. При этом будет непрерывно меняться ток в ней, а значит, и магнитное поле, в котором находятся обе катушки. И в катушке L2, следовательно, будет наводиться переменная э.д.с. Но об этом чуть позже.
Теперь нетрудно понять, почему к трагическим последствиям приводит короткое замыкание соседних витков в любой из обмоток трансформатора. Короткозамкнутые витки — это фактически отдельная вторичная обмотка с недопустимо малым сопротивлением нагрузки, то есть с недопустимо большой нагрузкой на трансформатор. Если не сработает предохранитель, то эта недопустимая нагрузка сразу же и навсегда выведет трансформатор из строя. Забегая вперед, заметим, что предохранитель, как правило, включён в цепь первичной обмотки трансформатора. Когда резко возрастает ток I2, то столь же резко возрастает I1, предохранитель срабатывает и отключает первичную обмотку от генератора.
Т-160. Температурный режим работающего трансформатора: «холодный» — «теплый — «горячий» — «пошёл дым». Кто-то из первых исследователей электрического тока (его имя, к сожалению, не удалось найти в летописи электричества) наверняка обрадовался, случайно обнаружив, что проводник, по которому идёт ток, слегка нагревается. Об истинных причинах этого нагревания в те времена ничего не было известно, но само открытие вселяло надежду — только что научились создавать в проволоке электрический ток, а он уже демонстрирует свою способность делать полезное дело, вырабатывать тепло.
При упоминании об этом факте читатель, возможно, усмехнулся: подумаешь, великое открытие, удивительный эффект, породивший электрический утюг. Просто какая-то мелочь, какая-то маленькая хитрость в сравнении с электрическим освещением всей планеты, электропоездами, телефоном и телевидением. Однако же из этой мелочи, из нагревания медного проводника электрическим током, развились в итоге два больших направления практической электротехники. Одно из них — создание электронагревательных приборов, в число которых, кстати, входят не только электроутюги и электрочайники, но также сталеплавильные печи, сварочные аппараты и мощные отопительные системы космических кораблей.
Второе направление можно назвать службой тепловой безопасности, его главная продукция — понимание физических процессов, технические расчёты, разработка норм и правил, не позволяющих тепловому действию тока приносить вред электрическим цепям и машинам или тем более выводить их из строя. А о том, что такое может случиться, многие знают по собственному опыту, по диагнозу, который приходилось слышать от мастера: «Ваш электромотор (трансформатор, электрочайник, пылесос и тому подобное) перегрелся и сгорел». Вместе с тем ничего такого не должно происходить, электрические системы, приборы и аппараты десятилетиями служат безотказно, если всё в них правильно рассчитано, изготовлено и если они не выходят за пределы расчётного режима.
ВК-183.Есть возможность несколько менять режим асинхронного двигателя, если с помощью скользящих контактов включать в его ротор дополнительные резисторы с небольшим сопротивлением. Эти резисторы включаются, например, в момент пуска двигателя, если этот пуск затруднён большой нагрузкой. Когда двигатель набирает обороты, можно выключить резисторы в роторной цепи и превратить машину в экономичный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Р-75. САМОИНДУКЦИЯ — ИЗМЕНЕНИЕ ТОКА В КАТУШКЕ НАВОДИТ Э.Д.С. В НЕЙ ЖЕ. Как мы уже знаем, когда по катушке идёт меняющийся ток, то она создаёт меняющееся магнитное поле и наводит электродвижущую силу. Если есть соседние катушки, то э.д.с. наводится в них, но во всех случаях катушка непременно наводит электродвижущую силу сама в себе, и называется она «э.д.с. самоиндукции». Величина этой электродвижущей силы зависит от скорости изменения тока — чем быстрее меняется ток, тем больше наведённая им э.д.с., в том числе и э.д.с. самоиндукции. Кроме того, её величина зависит и от самой катушки, от её способности создавать и воспринимать магнитное поле. Об этих качествах катушки говорит особая её характеристика — индуктивность, обозначаемая буквой L, как и сами катушки на схемах и в формулах. Единица измерения индуктивности — генри (сокращенно Гн), эта единица названа именем выдающегося американского физика Джозефа Генри. Если в катушке при изменении тока на 1 ампер за 1 секунду наводится э.д.с. самоиндукции 1 вольт, то индуктивность такой катушки 1 генри. Индуктивность катушки можно приближённо оценить и по её внешнему виду — по примерному числу витков, наличию сердечника и иным явным приметам.
Электрический ток, проходя по проводнику, оставляет в нём часть своей энергии, выделяет в проводнике определённую мощность. Мощность, которая достаётся проводнику, зависит от его сопротивления и очень сильно — в квадрате! — зависит от тока. Увеличьте ток в проводнике в три раза, и выделенная в нём мощность возрастёт в девять раз. Вся эта мощность выделяется в виде тепла, и дальше всё зависит от того, насколько хорошо проводник отдаёт тепло в окружающее пространство. Если это проводник большого диаметра, то есть с большой поверхностью теплоотдачи, то он не будет сильно нагреваться, и тепловой баланс («сколько получаю мощности, столько отдаю в виде тепла окружающему пространству», Т-8) установится при сравнительно низкой температуре. Если же проводник тонкий, если излучающая тепло поверхность у него маленькая, то баланс «получаю-отдаю» автоматически установится при более высокой температуре. Но всегда теплообмен должен быть рассчитан так, чтобы эта более высокая температура не доводила до вполне возможных неприятностей, например, до разрушения изолирующего лакового покрытия обмоточного провода, что легко может привести к короткому замыканию соседних витков и в итоге к возгоранию.
Кстати, тип изоляции также влияет на теплообмен. Лучше всего отдаёт тепло голый провод, без изоляции. Незначительно ухудшает теплообмен тонкий, в сотые доли миллиметра, слой эмалевой изоляции очень распространённого провода типа ПЭ (провод эмалированный). Значительно хуже отдаёт тепло провод с полимерной или иной плотной изоляцией. Важно также, в каких условиях находится проводник. В открытой проводке или в воздушной линии электропередачи он охлаждается лучше, чем в подземном кабеле или в многослойной обмотке трансформатора и электродвигателя.