Cum functioneaza un transformator electric ?

Prin  prezenta   doresc   sa  prezint   fenomenele  fizice   care  au  loc  intr-un  transformator   electric.   Pentru  inceput  sa  analizam  felul in  care   electronii   care   se   deplaseaza   in  interiorul  unui  conductor   electric ,   genereaza  liniile    de   camp  magnetice ca   in  fig.  1. In  fig. 1 a,   avem  un  singur  conductor   electric  .  In fig. 1 b,  avem   4  astfel  de   conductori   electrici  ,  iar   in  fig. 1 c,  se  poate    vedea   cum  aceste  linii  inconjoara   cei   4   conductori   electrici.

Transformatorul electric functioneaza pe principiul transformarii efectelor campului electric, in efectele campului magnetic asupra unui mediu propice cum este metalul bun conducator de electricitate. Totdeauna energia campului electro-magnetic se conserva, deci ceia ce intra in transformator este egal cu ceia ce iese, doar ca o parte din aceasta energie se transforma in caldura.Efectele campului electric constau in punerea in miscare a sarcinilor electrice cu o anumita energie, in timp ce efectele campului magnetic constau in orientarea momentelor magnetice ale acestora acumuland aceiasi energie. Putem face astfel analogia cu un pendul in care are loc transformarea periodica a energiei cinetice in energie potentiala si invers. Astfel energia cinetica (Ec) este reprezentata de produsul dintre curent si tensiune, Ec=U.I.t ; iar energia potentiala (Ep) sau de pozitie este data de campul magnetic Ep=B.H.vol; deci U.I.t=B.H.vol; tradus in unitati echivalente de masura avem; 
Ec=(m/s).(kg.m.s^2).s =>M.c^2 ;  Ep=(1/m).(kg/s^2).(m^3)=>M.c^2 ;

In  urmatoarea   figura  avem   cei patru  conductori   electrici  plasati  in   interiorul unui  material   feromagnetic  . Liniile  magnetice   generate  la  trecerea   unui   curent   electric   prin   cei 4   conductori   se   vor  acumula in   acest  material   feromagnetic. Astfel   energia   electrica   se  transforma  in   energie  magnetostatica.  

Continuarea maine.

virgil a scris:Transformatorul electric functioneaza pe principiul transformarii efectelor campului electric, in efectele campului magnetic asupra unui mediu propice cum este metalul bun conducator de electricitate. Totdeauna energia campului electro-magnetic se conserva, deci ceia ce intra in transformator este egal cu ceia ce iese, doar ca o parte din aceasta energie se transforma in caldura.Efectele campului electric constau in punerea in miscare a sarcinilor electrice cu o anumita energie, in timp ce efectele campului magnetic constau in orientarea momentelor magnetice ale acestora acumuland aceiasi energie. Putem face astfel analogia cu un pendul in care are loc transformarea periodica a energiei cinetice in energie potentiala si invers. Astfel energia cinetica (Ec) este reprezentata de produsul dintre curent si tensiune, Ec=U.I.t ; iar energia potentiala (Ep) sau de pozitie este data de campul magnetic Ep=B.H.vol; deci U.I.t=B.H.vol; tradus in unitati echivalente de masura avem; 
Ec=(m/s).(kg.m.s^2).s =>M.c^2 ;  Ep=(1/m).(kg/s^2).(m^3)=>M.c^2 ;

Asa  ceva   mai  tarziu, deocamdata   prezint  fenomenele   fizice  care   au loc  in interiorul   unui  transformator  electric.

Auzi tudorele, tu vorbesti mult de linii de camp magnetice. Spune-mi te rog frumos, liniile aste exista din punct de vedere fizic? Ce proprietati au de fapt?

Pacalici a scris:Auzi tudorele, tu vorbesti mult de linii de camp magnetice. Spune-mi te rog frumos, liniile aste exista din punct de vedere fizic? Ce proprietati au de fapt?

Prietenul  meu   profesor  de  fizica  si  chimie ,( scoala   generala  ), afirma  despre  liniile  magnetice  ca   sunt  imaginare  iar  eu  ii  spun  ca  a   baut  prea  mult   alcool la viata lui. Tie  nu  imi   permit   sa  iti  spun  asa  ceva .  Nu  esti  prietenul  meu.  Citeste   lucrarea  Fizica  Atomului si ai sa  gasesti   raspuns  la  intrebarea  pusa  de   tine.

Lasa domne lucrarile stiintifice. Zi aici cum sant liniile alea? Sunt solide, lichide? Cum Dumnezeu sunt.

Pacalici a scris:Lasa domne lucrarile stiintifice. Zi aici cum sant liniile alea? Sunt solide, lichide? Cum Dumnezeu sunt.

Sa traiti Dom' sef , am inteles . Va spun maine ca este ziua mai scurta. Ori la primavara cand ies Ghioceii. Clar ?

E clar! N-ai snaga de cercetator adevarat....pacat.Las pentru la primavara .

TUDORICA a scris:Prietenul  meu   profesor  de  fizica  si  chimie ,( scoala   generala  ), afirma  despre  liniile  magnetice  ca   sunt  imaginare

Un vizionar! Slava cerului ca nu l-ai crezut.Daca il credea-i nu mai avea-i in ziua de azi atatea contributii importante in Fizica.

Dar   sa   continuam  si  sa  lasam  la  o  parte   tot   bruiajul  existent.
In  fig.  2  am  vazut   cum  liniile  generate  de   catre  electronii   ce   se  deplaseaza  in  interiorul  unui   conductor  electric  genereaza   liniile    de  camp  magnetice  care   se   acumuleaza   in  interiorul  unui  material  feromagnetic.   Intrebarea   care  se pune  este  urmatoarea . Cum  se   comporta  o linie   de   camp magnetic   generata   de catre  un  electron  fata   de   electronii din jurul  sau ,   deoarece   stim  ca   aceasta  linie   se   dezvolta  in  spatiul  inconjurator  cu o  anumita   viteza   radiala ,   sau   poate  se   dezvolta  sub  forma  unei  spirale  plasata  pe un plan  si  atunci   discutam  despre   viteza   de  inaintare   a  liniei   de   camp  mag. Raspunsul  la   aceasta   intrebare   poate   fi  aflat   daca   folosim   un montaj  ca  in  fig. 3 ? La capetele  bobinei  aplicam  o   tensiune  continua timp  de 1-2  secunde ,  timp  in  care   liniile  magnetice   generate  se  vor  acumula in  miezul  feromagnetic  ,  dupa  care  intrerupem  brusc   circuitul   electric.  Daca  in  paralel  cu   bobina   avem  un  bec incandescent   acesta   la   intreruperea  circuitului   electric   pe  o   fractiune  de   secunda  va   ilumina   foarte   puternic,  de unde   se  desprinde   concluzia   ca  liniile  magnetice se   acumuleaza  mai  greu ,  dar   se   restrang   foarte   repede la  intreruperea   circuitului   electric  .   Liniile     vor   generara   in spirele  bobinei  un   curent   electric   care  va avea   acelasi   sens  cu  cel care  le-a   generat.   Sau    poate   fi  montata  si  o   bobina   secundara unde   masuram  curentul  la   cuplarea  circuitului electric  al   primarului  si   curentul  obtinut  la   decuplarea  acestui   circuit.  Din  cele  doua   experimente   cred   ca   vom  intelege  mecanismul  prin  care  se   formeaza  si   se   deplaseaza  o  linie  de  camp  magnetic, precum  si  timpul  pentru   extindere  a liniei  in  spatiul  inconjurator   si cel  masurat  la    comprimare ,  conform  principiului   ,,Greu  se  naste   repede  moare" 

In exemplele  de mai  sus   am folosit un  curent  continuu.  Diferenta   de   potential  aplicata  la  capetele  selenoidului  nu  trebuie sa  depaseasca o  anumita  valoare ,  deoarece de  aceasta  diferenta  de   potential    depinde valoarea  curentului care  circula  prin spira  conductoare ,(  el  trebuie  limitat,  nu   poate depasi  o anumita   valoare  ,  apar   fenomene fizice  nedorite ),  iar  curentul    depinde  de  rezistenta   conductorului   si  de   suprafata lui.  Cu  toate   acestea,   atunci  cand   utilizam  un   curent   alternativ  constatam  ca   diferenta   de   poatential  aplicata  la  capetele  selenoidului  poate  fi  foarte  mare  iar   curentul  in  conformitate  cu  Legea  lui  Ohm va   creste   nepermis   de  mult ,  lucru  nedorit.    Cine  limiteaza   acest  curent  ?
Sa  aplicam  acum  la  capetele   selenoidului  o  tensiune  alternativa  si  sa  vedem   fenomenele  fizice care  limiteaza  acest   curent   electric .   Alternanta   pozitiva  genereaza   un  camp  magnetic   ca  in  fig. 3 .  Atunci  cand  sensul  curentului  se   schimba  ,(  pe  alternanta   negativa ) ,  liniile  magnetice  deja  existente   se   restrang  la origine  cu  viteza   foarte  mare   ceea   ce   determina electronii  din  conductor,    atrasi  de  campul   electric aplicat  sa-si   reduca   viteza   de  inaintare  . Mai  precis  viteza lor   liniara   este   transformata   in  mare   parte in  viteza   de   spin  si  tocmai  aceasta   rotatie   a  electronilor  in  jurul  propriilor   axe   genereaza niste  linii   de  camp magnetic.   In  modul  acesta   energia  electrica  este   transformata  in  energie  magnetica,  dar  spre   deosebire   de  prima situatie   curentul  electric care  circula prin  spira  este foarte  mult redus. Acesta   va  genera   liniile magnetice care   vor fi acumulate   in materialul  feromagnetic  dar   sensul  lor  va   fi   opus  primei  situatii.  Din  nou  se   schimba   sensul  curentului ,  fenomenele  fizice   se   petrec  identic   cu  cele  scrise  mai  sus   iar   dupa   cateva   cicluri  curentul   scade  foarte   ,foarte   mult   chiar  daca  rezistenta   conductorului este  foarte  mica  iar   diferenta   de  potential  la   capetele  bobinei   este  foarte  mare.  Acest   curent  mai  poate   fi  numit  si  curent   de  mers  in   gol  al   transformatorului   electric.
Obs.  Intodeuna  la   pornirea  unei  masini   electrice rotative  sau statice   curentul  absorbit  la   pornire   va  fi  mult   mai  mare ,  pana se  ajunge   la   valoarea  curentului  de  mers   in   gol .  Acest   fenomen poate   fi  usor  sesizat   ,(  auditiv  ), in  cazul transformatoarelor  electrice  ce    emit  un  sunet    specific.

Am  considerat  ca   este   bine  sa   adaug  la descrierea   fenomenelor  prezentate in  figura nr.1 si  aceasta figura   cu mentiunea  ca   intre   doua linii  magnetice  nu exista   forta  de   atractie  ,  asa  cum  gresit  sa   scris  pe  acest   forum.  Numai   forta   de   respingere,  indiferent   de   sensul  lor.  Este   exact   ca   si  cum ai  spune   ca  intre   doua   sarcini  electrice   pozitive   apare  o  forta   de   atractie.  Au  aceiasi  polaritate.  Atentie !!!  Discutam  despre  structura unei  linii  de  camp  magnetic   ,nu  despre   corpurile   care  le   genereaza  pe   acestea.

scanteitudorel a scris:  Sau    poate   fi  montata  si  o   bobina   secundara unde   masuram  curentul  la   cuplarea  circuitului electric  al   primarului  si   curentul  obtinut  la   decuplarea  acestui   circuit.

Am  efectuat  si  acest   experiment  si  am ajuns la concluzia ca  liniile  magnetice  generate de catre primar  se  extind   in  spatiu   radial , ( asemanator unui  balon  care   se   umfla ), si   nu de   forma   spiralata  .  Este  important de   retinut    acest  aspect ,   deoarece   pe   parcursul   lucrarii  vom   ajunge  la  concluzia   ca  viteza  liniilor  magnetice   primare  va  fi  redusa   de  catre   liniile  magnetice   secundare  ,  atat  in  momentul   dezvoltarii   lor  in  spatiu  inconjurator   cat   si   la   restangerea   lor , (  revenirea  la  pozitia  initiala ).

Conceptul de " viteza a unei linii magnetice"

Doru,

Folosesti conceptul de viteza a unei linii magnetice.
Dar ai precizat ca nu exista interactiune intre linii ci de-a lungul lor.
Lucru cu care sunt de acord, fenomen fiind intuit de altfel si descris si de Faraday, Maxwell, etc.
Daca nu avem interactiuni intre linii magnetice, definirea unei viteze a unei linii nu presupune o interactiune -cauza , ci o evaluare:
Banuiesc ca te referi la viteza cu care o valoare constanta a inductiei magnetice dintr-un punct al  unei linii de forta, se regaseste dinamic, intr-un camp variabil, pe diferite linii de camp, la timpi diferiti.

Traiectoria unei astfel de valori este conventionala, nu este o linie de camp reala.

scanteitudorel a scris:Prietenul  meu   profesor  de  fizica  si  chimie ,( scoala   generala  ), afirma  despre  liniile  magnetice  ca   sunt  imaginare  iar  eu  ii  spun  ca  a   baut  prea  mult   alcool la viata lui.

Oare cine o fi baut prea mult alcool tudorele-tu ca elev sau el ca profesor?....

Pacalici a scris:Oare cine o fi baut prea mult alcool tudorele-tu ca elev sau el ca profesor?.... Evil or Very Mad

Eu  nu  consum  alcool  decat   foarte ,   foarte   rar  . Poate  de   doua  ori  pe  an. Imi  place  sa  am  mintea limpede.  Dom'   profesor  a  baut  la   viata  lui  7  vii.  Acum   la  batranete  sa  mai   lasat   de   acest   sport . Si-a   cumparat  masina noua  si -a  adormit la   volan . Bine ca  nu  a avut  un  accident mai  grav.In rest baiat   bun.

eugen a scris:Conceptul de " viteza a unei linii magnetice"

Doru,

Folosesti conceptul de viteza a unei linii magnetice.
Dar ai precizat ca nu exista interactiune intre linii ci de-a lungul lor.
Lucru cu care sunt de acord, fenomen fiind intuit de altfel si descris si de Faraday, Maxwell, etc.
Daca nu avem interactiuni intre linii magnetice, definirea unei viteze a unei linii nu presupune o interactiune -cauza , ci o evaluare:
Banuiesc ca te referi la viteza cu care o valoare constanta a inductiei magnetice dintr-un punct al  unei linii de forta, se regaseste dinamic, intr-un camp variabil, pe diferite linii de camp, la timpi diferiti.
Traiectoria unei astfel de valori este conventionala, nu este o linie de camp reala.

1.  Folosesc  conceptul de  viteza liniara   a  unei linii magnetice  atunci  cand  ma  refer  la viteza de  inaintare  a  unei linii  care   se   formeaza ,(cand   este    generata   de   catre   electron ), asemanatoare  cu   viteza  de   formare a  unui  span elicoidal   format   in urma   operatiuni  de   strunjire , ( la   strung).
2.  Folosesc  si  viteza  radiala  ,(de  estindere  in  spatiu ) a  unor  linii  mag.  variabile   in  spatiu   si  timp.
3.  Traiectoriile  pe  care  aceste   linii  evolueaza eu  le  consider  a  fi   reale,   asa  cum  si pe   liniile  de   camp magnetic  l-e consider reale  ,  deoarece   acestea   au  in  componenta  lor  corpuri reale.    Aceste  corpuri   extraordinar   de  mici   aranjate  intr-un   anumit  fel  dau  forma  liniei   magnetice.  Ex.  unei  linii  magnetice  generata  de  catre  un  electron. O spirala  mica  care  formeaza  o  spirala  mai  mare .  De   fapt  un  electron   genereaza   doua   linii magnetice  de   forma  spiralata , care   se   rotesc in  jurulul  propriilor  axe ,dar  de  sens   diferit .  Nu  au  acelasi sens  de   rotatie . Una   spre  stanga  ,  una  spre  dreapta   pentru  a nu  interfera  intre  ele.
P.S. Eugen te rog sa ma scuzi ca iti raspund asa de tarziu.

Inertie, energie in camp magnetic

scanteitudorel a scris:
 Traiectoriile  pe  care  aceste   linii  evolueaza eu  le  consider  a  fi   reale,   asa  cum  si pe   liniile  de   camp magnetic  l-e consider reale  ,  deoarece   acestea   au  in  componenta  lor  corpuri reale.    Aceste  corpuri   extraordinar   de  mici   aranjate  intr-un   anumit  fel  dau  forma  liniei   magnetice.  .

Exprimarea aceasta coincide cu rationamentele si intuitiile pe care le am si eu despre campul magnetic.
Astfel imi explic, printre altele:
- inertia campului magnetic, data de entitati reale, care au nevoie de timp sa se activeze / accelereze (amorsarea unui camp magnetic de la zero la o valoare maxima)
- cresterea energiei campului magnetic prin cresterea vitezei " corpurilor" foarte mici de-a lungul unei linii de forta magnetica.

eugen a scris:Exprimarea aceasta coincide cu rationamentele si intuitiile pe care le am si eu despre campul magnetic.
Astfel imi explic, printre altele:
- inertia campului magnetic, data de entitati reale, care au nevoie de timp sa se activeze / accelereze (amorsarea unui camp magnetic de la zero la o valoare maxima)
- cresterea energiei campului magnetic prin cresterea vitezei " corpurilor" foarte mici de-a lungul unei linii de forta magnetica.

Este  foarte   greu acum   sa  imi  exprim  un  punct  de  vedere   fata   de   cele   scrise  ,daca  nu  cunosc in   amanunt   cum  ai  ajuns  la   aceasta   concluzie  .  Eu   gandesc  mai  bine  atunci  cand   vad  o  imagine  si   mai  putin   prin  intermediul  cuvintelor. Daca te-a ajutat ce am scris, foarte bine. Subiectul ramane deschis.

Legea lui Ampere

In foto 1 un circuit simplu cu bobina si rezistenta, alimentat de la sursa cc. ( se face abstractie de pozitia 2 a intrerupatorului, unde circuitul sa fie pe deschis, nu pe inchis ca in figura).
In foto 2, alura curentului prin bobina si rezistenta, in functie de timp, incepand din momentul cuplarii la sursa.
In foto 3, legea lui Ampere, aplicata in cc continuu, arata o dependenta proportionala intre curent ( cauza) si inductia magnetica B ( efect).
Intrucat curentul se stabilizeaza intr-un timp finit, exista o inertie: campul nu se stabilizeaza la maxim instantaneu, ci dupa un timp specific, viteza lui de crestere este proportionala cu viteza de crestere a curentului.

Legea lui Ampere poate fi citita si astfel. Impartim ecuatia integralei la miu zero si obtinem integrala intensitatii in loc de inductie magnetica.
Intrucat intensitatea campului magnetic are valoare de forta unitara exercitata asupra unei sarcini magnetice unitare ( Maxwell), si lungimea curbei inchise de calcul este in metri:
Lucrul mecanic elementar executat de campul magnetic pe o curba inchisa asupra unei sarcini magnetice unitare, este egal cu curentul care produce linia de camp magnetic.
Dar acest lucru elementar este o energie.

De aceea am scris ca exista inertie si energie in aspect dinamic in campul magnetic.

Bine eugen . Astazi am putina treaba . Caut sa-ti raspund cat mai repede posibil.

Eu prefer sa fac simularea numai a circuitului RL cu un comutator si o baterie in serie.
Iata valorile alese de mine :
R=1 OHm
L=1mH
V2=5V (baterie)

Valorile pot fi evident schimbate in functie de cerintele celui ce simuleaza.

(V1 este circuitul de comanda al comutatorului.)

Am folosit pentru simularea de tip Spice, programul gratuit LTSpiceIV , ce se poate downloada de aici:

http://ltspice.linear-tech.com/software/LTspiceIV.exe

Iata schema montajului meu:



si iata si raspunsul in curent (curba albastra) si tensiune(curba rosie) a comutarii:



Tensiunea a fost masurata intre rezistenta si bobina iar curentul prin rezistenta.

Valorile de varf:

V=25.82V(1.092A)
I=1.080A (25.52V)

Pentru descarcarea energiei stocate in inductor cu ajutorul celui de al doilea comutator , va las pe voi doi , eugen si scanteitudorel sa continuati, programul fiind foarte usor de utilizat. Din pacate, nu pot atasa fisierul simulat.Si tot din pacate, imaginile nu stiu cum sa le fac mai mari fiind limitate de Abel.
Succes domnilor!

Nu uitati ca o simulare este mult mai ieftina decat timpul si materialele necesare pentru realizarea practica.

Am  scris  mai  sus   despre  un   experiment   pe   care  l-am   efectuat  pentru  a  determina daca   liniile  magnetice   generate   de  catre    electronii   care   circula  in  interiorul   unui   selenoid   se  dezvolta in  spatiu   (  radial  ,asemenea unui  balon  care  se  umfla  cu  aer  )  sau  de   forma  elicoidala .  Din  experimentul  meu  am  ajuns   la   concluzia   ca   aceste   linii  magnetice  chiar   daca   au  o   viteza   de   inaintare   pe  care  nu o  putem   determina   cu un  simplu  experiment    ele   se  dezvolta   in   spatiu   incojurator   radial. Este   foarte   important   de   retinut   acest   aspect   ,  altfel   se    ajunge   la  o  intelegere   gresita   a  fenomenelor  care  se  produc intr-un   transf.   electric.  Prezint   acest   film  unde  simularea  ptr.  transformatorul   electric  este total gresita.
https://www.youtube.com/watch?v=VucsoEhB0NA
Sa  explic .  
Sa consideram   ca  in  acest   moment  avem   montat  pe  tole   doar  circuitul   electric  primar  , iar  sensul  curentului   este  cel  din   fig.  3  ,prezentata   mai  sus  .  Curentul are  sensul  de  inaintare  a  unei   sageti  care   pleaca  de  la  noi  ,  notat      cu un   cerc  ce  are  in  interior   un  X  .   Linia   magnetica   generata  si    care  se   dezvolta   in  spatiu    radial  va   avea   sensul  de  rotatie   in  jurul propriei axe  ,  (  spin ) ,   conform  regulii  ,,burghiului  de   dreapta"  si   prin  urmare  cand  aceasta     va    intersecta    spira  conductoare  care   apartine   circuitului  secundar  se   va  induce   o  t.e.m.    opusa    celei    existente   in  primar    si  prin   urmare   si   sensul  curentului  din circuitul  electric   secundar  va   fi   opus  aceluia   care   circula  in  primar .
De   retinut  : [font=Impact] Sensul  curentului  alternativ    care  circula  in  circuitul  electric  secundar   este   intodeuna  invers   sensului   curentului electric   care     circula  in  primar .

De retinut : [font=Impact] Sensul curentului alternativ care circula in circuitul electric secundar este intodeuna invers sensului curentului electric care circula in primar .

Daca ar fi asa, nu ai mai putea construi un autotransformator, adica un transformator ridicator de tensiune, in care secundarul se bobineaza in continuarea primarului, obtinand la bornele secundarului o tensiune mai mare decat a primarului. Dupa regula ta ar trebui sa obtii o tensiune mai mica decat in primar, deoarece s-ar scadea tensiunea rezultata in spirele adaugate ale secundarului, bobinate in continuarea primarului.

virgil a scris:

De   retinut  : [font=Impact] Sensul  curentului  alternativ    care  circula  in  circuitul  electric  secundar   este   intodeuna  invers   sensului   curentului electric   care     circula  in  primar .

Daca ar fi asa, nu ai mai putea construi un autotransformator, adica un transformator ridicator de tensiune, in care secundarul se bobineaza in continuarea primarului, obtinand la bornele secundarului o tensiune mai mare decat a primarului. Dupa regula ta ar trebui sa obtii o tensiune mai mica decat in primar, deoarece s-ar scadea tensiunea rezultata in spirele adaugate ale secundarului, bobinate in continuarea primarului.

Interesanta observatie, am sa ma gandesc.

virgil a scris:nu ai mai putea construi un autotransformator

Ei NA! Cand vrei POTI!

De altfel, un astfel de autotransformator poate functiona cu voia Domnului.Ce este asa de greu de inteles?

Pacalici a scris:De altfel, un astfel de autotransformator poate functiona cu voia Domnului.Ce este asa de greu de inteles?

Da, cu voia d-lui Pacalici.