Transformátory
Přístroje Remagraph a Remacomp (od firmy Dr. Steingroever) pro měření magnetických vlastností magneticky měkkých materiálů (hysterezích smyček a dynamických vlastností) např. transformátorových plechů na Ústavu fyziky materiálů AV ČR, v. v. i. Detail přístroje pro měření magnetických vlastností transformátorových jader a magneticky měkkých materiálů.
Co víme o transformátorech Transformátory jsou užitečné elektrické stroje, které slouží ke zvětšení nebo zmenšení elektrického napětí. Např. elektřinu vyrobenou v elektrárně transformují na 400 000V, aby v přenosové soustavě docházelo k co nejmenším ztrátám; stejně tak transformátory zmenší napětí kvůli bezpečnosti na 5V u nabíječky mobilního telefonu, nebo na 20V u notebooku (Obr. 1). Transformátor sám nemá žádnou pohyblivou část a využívá jevu elektromagnetické indukce. Pracuje pouze se střídavým proudem. Pro transformaci stejnosměrného proudu pro mobilní telefon či počítač využívá kombinaci transformátoru a usměrňovače. Obr. 1. Rozvodná stanice (vlevo), kde se velmi vysoké napětí mění na vysoké napětí 230V, používané v rozvodech v domácnostech. Nabíječky drobných elektrických spotřebičů (uprostřed a vpravo). Z čeho se skládají a jak pracují Transformátor se skládá z vinutí, jádra a izolace. V primárním vinutí (cívce) je elektrická energie převedena na magnetickou. Magnetická energie je vedena jádrem (magnetickým obvodem) k druhému vinutí, které převádí magnetickou energii zpět na elektrickou. Důležitou roli hraje izolace, která musí od sebe oddělit jednotlivé závity vinutí i vinutí od jádra, jinak dojde ke zkratu a ztrátě účinnosti, nebo i funkce. 2
Obr 2. Schéma transformátoru. Transformátory mohou vypadat různě, viz Obr. 3, důležité je, aby magnetický obvod, tj. jádro transformátoru, bylo uzavřené. Vinutí potom může být navinuto nad sebou, viz obr. 3 uprostřed a vpravo. Obr. 3. Druhy transformátorů. Elektromagnetická indukce Protéká-li elektrickým vodičem (drátem) proud I, tvoří se okolo něj magnetické pole B (válcové), tomu se říká magnetická indukce. Síla magnetického pole závisí na velikosti proudu protékajícího vodičem, a čím blíž vodiči je, tím je větší. Všechna magnetická pole, např. magnetické pole země, vychylují střelku kompasu (orientují magnet severojižním směrem) a je-li silnější, přitahuje magnetické předměty. Když stočíme vodič do spirály, podobně jako u pružiny, viz vinutí transformátoru, výsledné magnetické pole je přímé a mnohokrát silnější než u jediného drátu (Obr. 4). 3
Naopak, pohybuje-li se vodič v magnetickém poli, ve vodiči vzniká (indukuje se) elektrický proud. Čím rychleji se vodič pohybuje, tím větší proud protéká. Tomuto jevu říkáme elektromagnetická indukce. Tady si musíme všimnout pohybu vodiče. Pokud vodič zastavíme, elektrický proud nebude protékat. Jak bylo zmíněno výše, transformátory jsou nepohyblivé stroje. Nepohybuje se vodič v magnetickém poli, ale vlivem střídavého proudu se s frekvencí 50 Hz, tj. 50krát za vteřinu, mění směr magnetického toku. Úplně se mění orientace, stejně jako by se u magnetu střídal sever s jihem. Obr. 4. Siločáry (indukční čáry) ukazují směr působení magnetického pole pro přímý vodič a svinutý drát (cívku). Máme primární cívku (vinutí), která indukuje magnetické pole, a do tohoto pole vložíme druhou (sekundární) cívku, ta pak indukuje elektrický proud. Takový jev se nazývá vzájemná indukce. Tok magnetické indukce v magnetickém obvodu je všude stejný, proto musí být počet vstupujících i vystupujících siločar do magnetu nebo cívky totožný. U transformátoru využíváme magnetického obvodu, kdy do magnetického pole, vytvořeného magnetickou indukcí vložíme jádro, které vede siločáry, tj. magnetické pole se šíří v tomto materiálu. Pro největší účinnost transformátoru chceme, aby stejné siločáry procházely vinutím, které magnetické pole vytváří (indukuje), stejně jako vinutím, kde se naopak vytváří (indukuje) elektrický proud, obr. 5. 4
Obr. 5. Schéma siločar (magnetického toku) v transformátoru. K čemu slouží jádro? Magnetické pole pro navinutý drát (cívku), můžeme přirovnat k poli okolo tyčového magnetu (Obr. 6). Dokonce i tvar siločar je podobný. Vložením magnetického materiálu do cívky (magneticky měkkého) získáme elektromagnet srovnatelný s tyčovým magnetem. Obr. 6. Tyčový magnet (vlevo) a elektromagnet (vpravo). Magnetické pole tvořené přímým vodičem nebo cívkou je oproti permanentnímu magnetu velmi slabé. Pro jeho zesílení vkládáme dovnitř jádro, které zvětší sílu magnetického pole. Tento jev popisuje materiálová konstanta, s názvem permeabilita. Je definována jako:, kde B je magnetická indukce a H intenzita magnetického pole. 5
Pokud magnetické pole působí na prostředí, jeho intenzita je zesílena nebo zeslabena podle typu prostředí. Prostředí, které účinek pole zeslabuje, se nazývá diamagnetické a je to obdoba elektricky nevodivého materiálu. Naopak prostředí, které pole zesílí, se nazývá paramagnetické nebo feromagnetické. Paramagnetické zesiluje nepatrně, feromagnetické výrazně. V tabulce jsou uvedeny příklady materiálů a jejich relativní permeability. ( = permeabilita vakua). Tabulka: Relativní permeabilita některých materiálů. (zdroj: www.wikipeda.org) Vidíme, že měď a hliník, které mají vynikající elektrickou vodivost, jsou nemagnetické. (Hliník je jen velmi slabě magnetický.) Pro jádra transformátorů se používají plechy z téměř čistého železa s příměsí křemíku. Jsou levné a účinné. Jak se šíří magnetické pole v materiálech O magnetickém toku nelze říci, že teče, nebo že se pohybuje. Nejbližší české slovo, které jeho změny popisuje je, že se šíří. Na materiál začne působit magnetické pole a materiál zareaguje podle toho, zda je magnetický nebo nemagnetický. Materiál z hlediska magnetizmu znázorníme jako malé magnetky, na jednom konci s kladným a na druhém se záporným pólem. Magnetický materiál (paramagnetický) se zorientuje a začne šířit magnetické pole, nemagnetický (diamagnetický) je naopak utlumí. Některý feromagnetický materiál má navíc ještě vlastnost, že se po vyjmutí z mag- 6
netického pole chová jako permanentní magnet. Dělení na magnetické a nemagnetické prostředí tedy neznamená, je-li materiál schopen přitahovat železné předměty, ale jak reaguje na magnetické pole působící zvenku. Magnety, nebo permanentní magnety, patří do skupiny feromagnetických materiálů. Obr. 7. Nezmagnetované (vlevo) a zmagnetované (vpravo) prostředí. Předvolební magnetizmus Magnetické vlastnosti, lze snadno vysvětlit na příkladu voleb. Když před volbami začnou strany agitovat, diamagnetičtí voliči kampaň poslouchají, ale kolem sebe ji nešíří. Paramagnetičtí voliči poslouchají a myšlenku kolem sebe šíří, přesvědčují své sousedy, aby se k nim přidali. V okamžiku, kdy kampaň utichne, na stranu, kterou volili, zapomenou a pokud se objeví nová strana, obrátí se jejím směrem a nadšeně znovu šíří novou myšlenku. Feromagnetičtí voliči jsou kampaní ještě více nadšeni než paramagnetičtí a dokonce tvoří buňky, ve kterých kampaň podporují. Rozdíl je však v tom, že někteří z nich jsou přesvědčeni původní myšlenkou natolik, že i když kampaň skončí, pořád ji podporují, a když se objeví nová strana, zůstanou původní myšlence dlouho věrni. Odpor, který feromagnetický materiál překonává při přemagnetování (změně polarity), nazýváme remanentní magnetizace (zbytková). Pokud je zbytková magnetizace velmi malá, říkáme o materiálech, že jsou magneticky měkké a snadno mění orientaci ve vnějším magnetickém poli, naopak materiály s velkou zbytkovou magnetizací nazýváme magneticky tvrdé a používají se na permanentní magnety. Magnetizaci (jak silné pole mate- 7
riál tvoří) a remanentní magnetizaci odečteme z hysterezí smyčky (Obr. 8). Na ose x je velikost magnetického pole, potřebná k přemagnetování, na ose y je magnetizace materiálu. Na ose y se také nachází hodnota zbytkové magnetizace v místě průchodu křivky osou B r. Obr. 8. Magneticky měkký (vlevo) a magneticky tvrdý (vpravo) materiál. Mini pokus: Vezměte permanentní magnet (magnetku) a přiložte jej k různým materiálům. Vidíte, že některé jsou k magnetu přitahovány, jiné nikoli. a) Vezměte nový hřebík, nebo ocelový šroub a přiložte jej k ostatním hřebíkům, špendlíkům nebo lépe k železným pilinám. Neměl by je přitahovat. Přiložte k hřebíku magnet a znovu se zkuste dotknout pilin. Piliny budou silně přitahovány. Některé piliny zůstanou přilnuty na hřebíku i po odebrání magnetu. Hřebík zůstal částečně zmagnetován. Toto je feromagnetický materiál se zbytkovou magnetizací, magneticky tvrdší materiál. b) Vezměte transformátorový plíšek, lžičku, nebo cokoliv jiného co půjde použít. Obojí se přichytí na magnet a bude přitahovat železné piliny. Po odstranění magnetu všechny piliny odpadnou. Jedná se o materiál feromagnetický měkký. 8
Pokus s vlastním transformátorem Abychom pochopili, jak transformátor funguje, můžeme si ho rozebrat. Pokud se jedná o jednofázový transformátor, nejprve uvidíme jedno vinutí (sekundární) a pod ním druhé (primární). Dráty obou vinutí mají odlišnou tloušťku a počet závitů. Jsou od sebe izolovány lakem a obě vinutí jsou oddělena papírem. Pokud obě vinutí odstraníme, vidíme jádro, složené z různě tvarovaných plechů, které se zvláštně překrývají. U jádra je totiž důležité, aby magnetický obvod byl co nejtěsnější. Plechy k sobě co nejpřesněji přiléhají. (Obr. 9.) Ideální je potom jádro nepřerušené. Obr. 9. Jádra transformátoru. Vlevo jsou plechy tvaru C. Vpravo je plech z toroidu. Pro napájení primárního vinutí nemůžeme použít napájení ze sítě, protože je to životu nebezpečné. Pro pokus použijeme signál z generátoru frekvenčních funkcí o frekvenci 50 Hz a signál zesílíme. Takto získaným zdrojem střídavého proudu napájíme primární cívku. (Obr. 10.) Obr. 10. Zapojení experimentu. 9
1. V rámci experimentu můžeme měřit běžnou charakteristiku transformátoru a zjišťovat, jak se s počtem smyček vinutí mění napětí a proud: 2. Nebo si vyrobit vlastní transformátory a vyzkoušet funkčnost jader. Vytvořili jsme si jádra z (obr 11.): a) mědi b) transformátorového plechu c) rozdrceného magnetovce pozn. Magnetovec je přírodní magnetický minerál a od pradávna byl využíván do kompasů. Jedná se tedy o permanentní magnet. 3. Mimo to můžeme transformátor připojit na zdroj stejnosměrného proudu. Pozn. Nesmíme zapomenout obvod se sekundární cívkou zatížit. Obr. 11.: Transformátory mající tvar toroidu. Vysvětlení pokusu: 1. Je lepší si pro pokus připravit i komerční transformátory, např. z modelářské prodejny, kde známe počet smyček vinutí. Zásahy do transformátorů, zejména opakované, výrazně sníží celkovou účinnost. 2. Různá jádra a) měď je diamagnetická, pokud je jádro dostatečně masivní, na sekundární cívce se nebude indukovat elektrický proud; b) běžný ocelový plech transformuje napětí; c) permanentní magnet se silnou remanentní magnetizací by nemělo být možné zmagnetovat primární cívkou, pokud nahradíme magnetovec dostupnější variantou Fe 3 O 4, které je magneticky měkké, transformátor bude fungovat. 3. Při zapojení do stejnosměrného zdroje transformátor nefunguje, protože nedochází ani k pohybu cívky, ani změně magnetického pole. Pavla Roupcová, Jan Klusák Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i. Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie a obrázky dílem autorů (ÚFM AV ČR, v. v. i.), případně pocházejí ze zdrojů umožňujících opětovné použití (Public Licence). 10
Ústav fyziky materiálů Akademie věd České republiky, v. v. i. Žižkova 22, 616 62 Brno www.ipm.cz Projekt CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy kritický způsob myšlení a praktické aplikace přírodovědných a technických poznatků v reálném životě