Трансформатором называется прибор, который служит для преобразования электрических токов одного напряжения в токи другого напряжения, либо для преобразования токов переменных в токи постоянные и обратно. Как в том, так и в другом случаях, преобразование электрического тока происходит без существенной потери мощности.
Трансформаторы первого рода, то есть трансформаторы напряжений, устраиваются различно, в зависимости от того, предназначаются ли они для токов переменных или постоянных. Трансформаторы, предназначаемые для переменных токов, состоят из железного сердечника, большей частью замкнутого, изготовленного из сложенных листов железа толщиной в 0,1 — 2 миллиметра, между которыми проложены для изоляции листы бумаги. На сердечнике помещаются две обмотки из медной проволоки.
По одной из проволочных обмоток, называемой первичной (I), пропускается ток, напряжение которого желают преобразовать. Этот ток называют током первичным. Проходя по обмотке, он намагничивает сердечник и, будучи переменным, вызывает образование в сердечнике переменного же магнитного потока. Этот поток пронизывает обороты проволоки вторичной (II) обмотки, в которой и индуктируется при этом переменный ток, называемый вторичным. Соотношение между напряжениями вторичного и первичного токов (т. е. между разностями потенциалов у концов вторичной и первичной обмоток) зависит от чисел витков проволоки в этих обмотках. Именно, если назвать первичное напряжение через Е1, а вторичное через E2, то с большим приближением всегда будет
E2/E1 = n2/n1,
где n1 и n2 - числа витков проволоки в первичной и вторичной обмотках.
Энергия, затрачиваемая в первичной обмотке, частью идет на образование вторичного тока, частью на нагревание обмоток и магнитного сердечника, происходящих вследствие существования токов Фуко и гистерезиса в сердечнике, и токов первичного и вторичного в обмотках. Эта часть энергии теряется, следовательно, даром и называется «потерей энергии в трансформаторах». В хороших трансформаторах потеря не превосходит 5%, следовательно, почти вся энергия, затрачиваемая в первичной цепи, восстановляется во вторичной, то есть приблизительно:
E1J1 = E2J2
где
Е1 и E2 — напряжения в этих цепях,J1 и J2 — силы тока в них.
Отсюда следует, что:
J2/J1 = E1/E2
то есть, силы токов будут в обмотках изменяться в обратном отношении, чем напряжения. Так, если по первичной обмотке проходит ток в 10 ампер при 2000 вольт, то во вторичной, например при 100 вольтах, ток будет в 200 ампер.
Схематично, процесс преобразования электрического тока в трансформаторе можно представить следующим образом:
Идеальным трансформатором называют такой трансформатор, в котором потеря энергии в процессе преобразования электрического тока равна нулю. Идеальный трансформатор превращает всю энергию, которая поступает в первичную цепь в магнитное поле, а затем вновь превращает энергию вторичной цепи. Следовательно, поступившая в трансформатор энергия будет абсолютно равной преобразованной энергии, что видно из формулы:
где
P1 — это значение энергии, поступающей из первичной цепи,P2 — это значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.
В итоге получаем уравнение идеального трансформатора:
