Numera är allting beroende av elektricitet – från verktyg vi arbetar med till nästan all vår underhållning. Allt tycks vara strömförsörjt och kopplat till elnätet, och vi använder bokstavligen elektricitet hela tiden. Trots detta tänker vi sällan på hur teknologin bakom den faktiskt fungerar.
Transformatorer är en av de mest grundläggande komponenterna i vår elinfrastruktur, men många förstår inte hur de fungerar eller varför de är så avgörande för vardagen. Den här artikeln förklarar vad en transformator är, hur den fungerar, vilka olika typer av transformatorer som finns och varför de är centrala i både industri och hushåll.
Om du är nyfiken på fysikens lagar kan du även läsa vår artikel om elektromagnetismens vetenskap innan du går vidare.
Vad är en transformator?
Transformatorn: en elektromagnetisk utrustning som underlättar elektricitetens resa från kraftverk till uttag. Utan den skulle vi inte ha tillgång till många av de saker och funktioner som vi nu tar för givet i vardagen.
Faktum är att utan transformatorer skulle distributionen av elektricitet över långa avstånd vara mycket ineffektiv, och dagens moderna elinfrastruktur skulle inte fungera som vi är vana vid. Det är just därför vi måste ta oss tid till att lära oss mer om dessa enkla små apparater. De finns trots allt runt om oss!
Utan transformatorer skulle vi fortfarande vara begränsade till lokala elnät med kort räckvidd, liknande de tidiga systemen under 1800-talet. Den här artikeln ingår i vår serie om magnetism och elektromagnetism, så om du är intresserad av fysik kan du även utforska våra andra artiklar.
Eftersom magnetism och elektromagnetism är de grundläggande fenomen som krafttransformatorer bygger på är det viktigt att förstå vad det innebär. Minns du vad elektromagnetism handlar om?
Du kan alltid läsa vår artikel om elektromagnetismens vetenskap innan du läser vidare. Låt oss ta en lite närmare titt på krafttransformatorn - en av de mest underskattade uppfinningarna vi har.
Vad gör en transformator?
Detta är den kanske allra viktigaste frågan. Enkelt uttryckt så är en elektrisk transformator en anordning som överför elektrisk energi från en krets till en annan.
Det fascinerande med transformatorer är att de kan överföra elektrisk energi mellan två separata kretsar enbart via magnetiskt flöde, utan direkt elektrisk kontakt. Och det är egentligen allt den gör.
Ändå är de möjligheter som dessa små anordningar ger helt otroliga, vilket du kommer att förstå när du läser vidare! Det finns dock en annan otrolig och viktig sak som transformatorer gör.
De gör det nämligen även möjligt att överföra ström från en krets med hög spänning till en krets med låg eller medelhög spänning. Och detta lilla faktum är väldigt viktigt - som du snart kommer att se.
Viktiga användningsområden
Energidistribution och kraftöverföring
Låt oss först ta en närmare titt på transformatorernas roll vad gäller kraftdistribution. I stort sett all elektrisk kraft passerar genom en transformator (åtminstone vid ett tillfälle) under sin livscykel.
Det mest troliga är att en elektrisk kraft passerar genom flera stycken. Därför spelar transformatorer en viktig roll för all energi som kommer in i våra hem.
Distributionen av el sker i en massiv skala - över hela länder, om inte över hela kontinenter. Eftersom den elektriska strömmen har en otroligt lång väg att färdas så används transformatorer för att dela upp kretsen i mindre delar.
Detta ger större stabilitet i ledningen samtidigt som det gör det lättare att isolera problem, om något sådant skulle uppstå.
Transformatorer för upp- och nedtrappning
Det vanligaste användningsområdet för transformatorer är deras särskilda roller som nedtrappnings- eller upptrappningstransformatorer. Det är grunden för att hela elnätet ska kunna fungera.
Det gör det möjligt för all elektrisk energi att komma in i ditt hem. Lär dig även allt om elektromagneter här.
Spänning och ström
Elnätet fungerar genom att överföra elektriska strömmar med extremt hög spänning. Generellt sett så blir överföringen mindre effektiv ju högre strömmen är.
Med högre ström produceras mer värme och mer energi går förlorad när den frigörs genom ledningen. Ju högre ström som passerar i ledningen, desto mer värme produceras, vilket leder till energiförluster.
Även om allt det är bra så går mycket av den elektriska energin förlorad om den överförs över långa avstånd. Spänning, eller EMF (elektromotorisk kraft), är potentialskillnaden mellan två punkter i en elektrisk krets som får ström att flöda.
Detta är det elektriska tryck som gör så att strömmen kan flöda. Spänning representerar den elektriska potentialskillnaden som driver ström genom en krets, vilket möjliggör överföring av energi.
Elnätet använder alltså otroligt hög spänning - snarare än hög ström. Men det finns ett uppenbart problem med detta. Medan högspänningselektricitet är mycket lättare och effektivare att överföra så är den också mycket farligare att använda i praktiken.
Att ha otroligt hög spänning i alla våra kontakter skulle inte vara särskilt smart. Därför använder man transformatorer för att "höja" elens spänning innan den ska överföras och för att "sänka" den igen efteråt.
Innan den kan distribueras på lokal nivå - och innan den når någons hem - måste spänningen sänkas enormt. Detta eftersom spänningen i våra nationella ledningar är tusentals gånger högre än den spänning som din bärbara dator eller din vattenkokare kan hantera.
Du förstår säkert hur viktiga dessa transformatorer är för oss om du funderar över hur ofta du använder elektricitet i ditt hem en vanlig dag.
Ta fysik hjälp för att skapa bättre förståelse för fysikens lagar.
Hur fungerar en transformator?
Nu vet du vad transformatorer gör. Men hur gör de det? Hur fungerar de egentligen?
Det är just den frågan som vi ska besvara nu. Lyckligtvis kommer du att upptäcka att svaret är enklare än vad man först kan tro. Hela processen är nämligen kopplad till den kraft som kallas elektromagnetism.
Elektromagnetism är gränssnittet - eller kombinationen - av elektrisk ström och magnetism. Dessa två saker är som två sidor av samma mynt. Transformatorer fungerar sedan genom att man utnyttjar detta förhållande.
Transformatorer är egentligen ganska enkla. I sin enklaste form består de av två trådspolar runt en ferromagnetisk kärna. Föreställ dig en järnring där det finns två koppartrådar lindade runt dem på dess motsatta sidor.
Ström passerar genom den ena spolen och in i det som kallas primärlindningen. Som ett resultat av den elektriska laddningens magnetfält kommer förändringar i järnkärnans magnetiska flöde att skapa elektricitet hos den sekundära lindningen.
Detta är helt enkelt grunden för hur den ideala transformatorn fungerar. Det vill säga, genom den process som vi idag kallar elektromagnetisk induktion.
Faradays lag (uppkallad efter mannen som upptäckte elektromagnetisk induktion). Enligt Faradays lag bestäms spänningen i sekundärspolen av förändringen av magnetiskt flöde och förhållandet mellan antalet varv i primär- och sekundärlindningarna.
Faradays lag och det magnetiska flödet
Det var Michael Faraday som upptäckte alla dessa principer för elektromagnetisk induktion som nu har blivit centrala för transformatorns teknik. Faraday visade att ett föränderligt magnetfält genom en spole inducerar en elektrisk ström i en annan spole. Detta experiment lade grunden för elektromagnetisk induktion, som senare blev central för transformatorer.
Det blev den mest väsentliga delen av hans upptäckt. När den elektriska strömmen var stabil i den första ledningen observerades ingen elektricitet i den andra. Det krävde en förändring av den elektriska laddningen.
Det var just denna förändring som åstadkom själva förändringen av det magnetiska flödet i järnkärnan - vilket möjliggjorde överföringen av elektricitet.
Betydelsen av växelström
Transformatorer fungerar endast med växelström (AC) eftersom induktion kräver ett föränderligt magnetfält. Likström (DC) skapar inget varierande magnetfält och kan därför inte överföra energi genom en transformator.
Medan likström är en stabil ström som bara rör sig i en riktning, byter växelström riktning hela tiden. Det skapar förändringen av det magnetiska flödet, vilket i sin tur gör det möjligt att överföra elektrisk ström genom transformatorn - eller, med andra ord, gör det möjligt att inducera elektricitet i den sekundära ledningen.
Utan denna förändring av magnetfältet i transformatorn skulle det inte kunna ske någon överföring av elektricitet överhuvudtaget.
Elektromagnetismens betydelse
Michael Faraday gjorde denna upptäckt redan på 1830-talet. Sedan dess har det gjorts flera försök till att förenkla och effektivisera processen, men trots det så har transformatorns grundläggande principer inte förändrats ett dugg. Och det kommer de kanske aldrig heller att göra.
Därför vittnar transformatorn om att elektromagnetismen är en av de absolut viktigaste upptäckterna i vår världshistoria. Så det är bäst att du ser till att bekanta dig med den!
Tycker du om artikeln? Visa det gärna!
Loading...
