Elektra – tai nematomas siūlas, jungiantis visą mūsų pasaulį.
Nikola Tesla
Šiandien viskas priklauso nuo elektros: nuo įrankių, kuriais dirbame, iki vietų, kuriose pramogaujame laisvalaikiu. Atrodo, kad viskas yra prijungta, įkraunama, maitinama elektra.
Elektrą naudojame nuolat. Ir dažnai net nebesusimąstome, kokia tai patogi privilegija.
Nors šį neįtikėtiną infrastruktūros pasiekimą laikome savaime suprantamu, daugelis turbūt net nežino, kokia technologija įgalina šį veiksmą. Kalbame apie transformatorių – elektromagnetinį įrenginį, kuris leidžia elektrai keliauti nuo elektrinės iki mūsų rozetės.
Be jo neturėtume daugybės dalykų, kurie tapo tokiais įprastais mūsų kasdienybėje. Tiesą sakant, be transformatorių mūsų namuose apskritai nebūtų elektros.
Todėl verta šiai temai skirti šiek tiek laiko ir suprasti, kaip veikia šie, iš pirmo žvilgsnio, paprasti įrenginiai. Be jų vis dar gyventume XIX a. pradžios sąlygomis (maždaug 1820-aisiais).
Šis straipsnis yra mūsų serijos apie magnetizmą ir elektromagnetizmą dalis. Būtent šie reiškiniai yra pagrindas, ant kurio paremta transformatorių veikimo logika.
Toliau kartu panagrinėsime vieną svarbiausių, tačiau dažnai nuvertinamų išradimų pasaulyje – elektros transformatorių.
Kas yra transformatorius?
Taigi, svarbiausias klausimas – kas iš tikrųjų yra transformatorius?
Paprastai tariant, elektros transformatorius yra įrenginys, perduodantis elektros energiją iš vienos grandinės į kitą. Įdomiausia tai, kad jis tai daro be jokio tiesioginio metalinio ryšio tarp šių grandinių.
Iš pirmo žvilgsnio atrodo paprasta, tačiau šių įrenginių galimybės yra milžiniškos.
Elektrinėse grandinėse ryšys tarp skirtingų grandinių yra itin svarbus.
Ypač tada, kai kalbame apie grandines, kurioms reikalinga skirtinga įtampa.
Ir būtent čia atsiskleidžia antras svarbus transformatorių vaidmuo: jie leidžia perduoti energiją iš aukštos įtampos grandinės į žemos ar vidutinės įtampos grandinę.
Netrukus pamatysite, kodėl šis faktorius toks svarbus.
Energijos paskirstymas ir perdavimas
Pirmiausia verta aptarti transformatorių vaidmenį elektros paskirstyme.
Beveik visa pasaulyje naudojama elektros energija tam tikru savo „gyvenimo“ momentu pereina per transformatorių. Tiesą sakant, dažniausiai net ne per vieną. Tik labai maža dalis elektros energijos pagaminama vietiniuose generatoriuose, todėl jos nereikia perduoti.
Taigi, transformatoriai dalyvauja visoje energijos grandinėje: nuo elektrinės iki kiekvieno namo.
Transformatorius gali pakeisti įtampą 100 000 kartų – iš 400 000 V tinklo iki 230 V rozetės.
Elektros paskirstymas vyksta milžinišku mastu, dažnai kertant šalis ar net žemynus. Transformatoriai naudojami grandinei suskaidyti į mažesnes dalis, kadangi elektra turi nukeliauti labai toli nuo gamybos vietos iki vartotojo. Tai užtikrina didesnį stabilumą ir leidžia lengviau lokalizuoti bei išspręsti sutrikimus.
Aukštinantys ir žeminantys transformatoriai
Dažniausiai transformatoriai naudojami dviem pagrindiniais būdais: kaip „aukštinantys“ (angl. step-up) arba „žeminantys“ (angl. step-down) įtampos keitikliai. Būtent jie užtikrina visos elektros energijos tiekimo grandinės veikimą ir leidžia elektrai pasiekti mūsų namus.
Įtampa ir srovė
Tai itin svarbu, nes elektros tinklai perduoda energiją itin aukštos įtampos srovėmis.
Pavyzdžiui, Jungtinės Karalystės „National Grid“ ar Lietuvoje veikiantys perdavimo tinklai negali naudoti didelių srovių. Kuo didesnė srovė, tuo mažiau efektyvus yra jos perdavimas. Didelės srovės metu laidai įkaista, todėl dalis energijos prarandama šilumos pavidalu.
Srovė apibūdina elektros krūvio tekėjimo greitį. Kuo didesnė srovė, tuo greičiau elektra keliauja laidu, tačiau ilguose atstumuose tai reiškia didelius nuostolius.
Tuo tarpu įtampa, arba elektromotorinė jėga (EMJ), apibūdina potencialų skirtumą tarp dviejų taškų laidininke. Paprasčiau tariant, tai elektrinis „slėgis“, leidžiantis srovei tekėti. Kitaip sakant, tai energijos kiekis, reikalingas srovei perduoti per laidą.
Įtampos keitimas
Todėl elektros tinklai naudoja itin aukštas įtampas, o ne dideles sroves. Tačiau čia iškyla problema: tokia elektra, nors ir efektyviau perduodama, yra per pavojinga naudoti kasdienėje aplinkoje. Laikyti tūkstančius voltų kiekviename lizde būtų itin pavojinga.
Todėl elektros tinklai naudoja transformatorius, kad „pakeltų“ įtampą prieš perdavimą ir vėliau ją „sumažintų“.
Prieš paskirstant elektrą vietiniu mastu ir prieš jai pasiekiant mūsų namus, įtampa turi būti ženkliai sumažinta, nes aukštosios linijos gali turėti tūkstančius kartų didesnę įtampą, nei gali atlaikyti mūsų buitiniai prietaisai.
Šis procesas vyksta su visa elektra, kurią naudojame, todėl akivaizdu, kokie transformatoriai svarbūs mūsų kasdieniam gyvenimui.
Transformatoriaus veikimo principas
Dabar jau žinome, ką transformatoriai daro. Tačiau kaip jie tai daro? Atsakymas yra tiesiogiai susijęs su reiškiniu, vadinamu elektromagnetizmu.
Elektromagnetizmas yra elektrinės srovės ir magnetizmo sąveika. Šie du reiškiniai yra tarsi dvi to paties medalio pusės. Skirtingi, tačiau glaudžiai susiję. Transformatoriai veikia pasitelkdami būtent šį ryšį.
Iš esmės transformatorius yra gana paprastas įrenginys. Jis susideda iš dviejų laidų ričių, apvyniotų aplink feromagnetinį branduolį. Galite įsivaizduoti geležinį žiedą, aplink kurį iš abiejų pusių yra apvyniotos varinės ritės.
Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnis teigia, kad keičiantis magnetiniam srautui per laidininko kilpą, joje indukuojama elektrovaros jėga (EVJ).
Kai per pirmąją ritę teka srovė (vadinamąją pirminę apviją), dėl susidarančio magnetinio lauko keičiasi magnetinis srautas branduolyje. Šis pokytis sukuria elektros srovę antrojoje, antrinėje apvijoje. Tai ir yra pagrindinis transformatoriaus veikimo principas – elektromagnetinė indukcija.
Pagal Faradėjaus dėsnį (pavadintą fiziko, atradusio elektromagnetinę indukciją, garbei), pakeitus apvijų skaičių antrinėje ritėje, pasikeičia ir įtampa antroje grandinėje.
Faradėjus ir magnetinis srautas
Būtent Michaelas Faradėjus atrado elektromagnetinės indukcijos principus, kurie tapo transformatorių veikimo pagrindu.
Jis pats pasigamino paprastą transformatorių: vieną ritės pusę jis prijungė prie baterijos, o kitą – prie galvanometro, matuojančio elektros krūvį. Faradėjus pastebėjo, kad elektros krūvis antrinėje ritėje atsirasdavo tik tada, kai jis prijungdavo arba atjungdavo bateriją.
Kiekvienas mažas elektros srovės pokytis slepia milžinišką jėgą – tereikia išmokti ją panaudoti.
Maiklas Faradėjus
Tai buvo lemiamas jo atradimas. Kuomet srovė pirmojoje ritėje būdavo stabili, tuomet antrojoje elektros neatsirasdavo. Reikėjo pokyčio, todėl būtent šis elektros srovės pokytis sukeldavo magnetinio srauto pokytį geležiniame branduolyje, leidžiantį perduoti elektros energiją.
Kintamosios srovės reikšmė
Šis atradimas paaiškina, kaip transformatoriai veikia ir šiandien. Jie funkcionuoja tik su kintamąja srove, o ne su nuolatine srove.
Nuolatinė srovė teka viena kryptimi ir yra stabili, o kintamoji (AC) nuolat keičia kryptį. Būtent šie pokyčiai sukelia magnetinio srauto svyravimus, kurie leidžia elektros energijai pereiti iš vienos ritės į kitą. Kitaip tariant, jie sukuria indukuotą srovę.
Be šio kintančio magnetinio lauko transformatorius negalėtų perduoti elektros.
Elektromagnetizmo svarba
Michaelas Faradėjus šį reiškinį atrado dar XIX a. ketvirtajame dešimtmetyje. Nors nuo to laiko technologijos ir smarkiai patobulėjo, pats principas iš esmės nepasikeitė – ir, ko gero, niekada nepasikeis.
Todėl transformatorius ir šiandien yra tikrų tikriausias įrodymas, kad elektromagnetizmas yra vienas svarbiausių atradimų žmonijos istorijoje, be kurio sunkiai įsivaizduojame savo kasdienybę.
Ar jums patiko šis straipsnis? Pasižymėkite!
Loading...
