Как работает трансформаторФ. Ф. Менде
Аннотация
Рассмотрена физика работы трансформатора с ферромагнитным сердечником. Предложены новые типы трансформаторов с ферроэлектрическими сердечниками, а также рассмотрена физика работы таких трансформаторов.
Ключевые слова: трансформатор, ферромагнетик, ферроэлектрик, индуктивность.
1. Введение
Трансформаторы с ферромагнитными сердечниками широко используются в науке и технике [1-7]. Особенностью любого трансформатора является возможность передачи энергии из одной обмотки в другую без наличия гальванического контакта между ними. Причём чем ближе расположены витки первичной и вторичной обмоток, тем больше коэффициент связи между обмотками. Если речь идёт о трансформаторе без наличия сердечника, то идеальным вариантом является случай, когда обмотки намотаны бифилярным способом, когда обмотка мотается в два провода, которые и представляют первичную и вторичную обмотки. При таком способе намотки провода первичной и вторичной обмотки располагаются максимально близко, что и даёт возможность получить максимальный коэффициент связи. Обмотки, расположеные на общем ферромагнитном сердечнике, также имеют очень высокий коэффициент связи, однако в существующей литературе нет описания физики работы трансформаторов с таким сердечником.
Хорошо известен экспериментальный факт, указывающий на то, что наличие ферромагнитного сердечника в катушке существенным образом увеличивает её индуктивность. Но какова физика этого процесса нигде не описано.
Большим недостатком трансформаторов с ферромагнитными сердечниками является то, что они не могут работать на высоких частотах. Это связано с большой инерционностью процесса перемагничивания ферромагнетика.
В статье рассмотрена физика работы трансформатора с ферромагнитным сердечником.
Рассмотрен также новый тип трансформаторов с ферроэлектрическим сердечником. Достоинством таких трансформаторов является то, что они могут работать на очень высоких частотах.
2. Физика работы трансформатора с ферромагнитным сердечником
Если по катушке или одиночному проводу течёт ток, то энергия, накопленная в их индуктивности, определяется соотношением
\({W_L} = \frac{1}{2}L{I^2}\)
Индуктивность провода, по которому течёт ток, связывают с наличием вокруг него магнитных полей и поскольку магнитные поля обладают удельной энергией
\({W_{0H}} = \frac{1}{2}\mu {H^2}\) ,
то их интегрирование по объёму, занимаемому полями, также даёт энергию
\({W_H} = \frac{1}{2}\mu \int\limits_V {{H^2}} dV\) .
Очевидно, что
\({W_L} = {W_H}\) .
Но магнитные поля, окружающие проводник, зависят от тока, поэтому индуктивность является коэффициентом, который связывает энергию, накопленную в таком проводнике, с текущем в нём токе. До сих пор считалось, что индуктивность связана с теми магнитными полями, которые окружают рассматриваемый проводник. Но, оказывается, существует и другой механизм увеличения индуктивности проводника, когда индуктивность зависит не только от тех магнитных полей, которые такой проводник окружают (рис. 1).

Рис. 1. Контур с замороженным током вблизи проводника, по которому течёт ток.
Список пользователей не допускаемых автором для участия в данной теме: Мотовилов