Любую совокупность взаимосвязанных событий можно

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА (Новый взгляд)
Золотухин Владимир Алексеевич, инженер, gik55@rambler.ru
Парадокс трансформатора
Взглянем на давно известный электромагнитный аппарат – трансформатор
(рис. 1):
Рис. 1
Зная его принцип действия, можно без особого труда проследить цепочку
энергетических преобразований в нем: электрическая энергия ЭЭ в первичной
обмотке 1 трансформатора преобразуется в энергию Эм магнитного потока Ф
сердечника, которая во вторичной обмотке 2 трансформатора вновь преобразуется в электрическую энергию ЭЭ (рис 2).
Рис. 2
Теперь рассмотрим эту цепочку в динамике. Поток электрической энергии
через трансформатор может изменяться в очень больших пределах – от 0
(трансформатор в режиме холостого хода) – до ЭЭ mах (трансформатор работает
с полной нагрузкой). Соответственно, и энергия магнитного потока Эм так же
должна изменяться синхронно с ЭЭ – мы это вправе ожидать, ведь Эм, а соответственно и Ф, есть звено в энергетической цепочке трансформатора. Но теория (и практически подтвержденный факт) говорят о том, что магнитный поток
трансформатора, а соответственно и его энергия, есть величина постоянная и
никоим образом не зависящая от уровня энергии, проходящей через трансформатор.
Таким образом, выстроенная нами логическая энергетическая цепочка работы трансформатора не согласуется с посылкой о роли магнитопровода в теории работы трансформатора. Мы наблюдаем нарушение причинно – следственных связей, т.е. ПАРАДОКС.
Э.Д.С. самоиндукции
Рассмотрим цепь переменного тока с индуктивностью L (рис. 3). Согласно
теории, в катушке L создается противоЭ.Д.С. – UL, по величине равная сетевому напряжению, но направленная встречно ему – так называемая уравновешивающая Э.Д.С. или Э.Д.С. самоиндукции.
Рис. 3
Но в таком случае вольтметр V должен показывать нуль или величину
близкую к нулю. Прибор же всегда показывает напряжение сети. Почему? И
под действием какой силы, в таком случае, в цепи течет ток, ведь напряжения
уравновешены?
Принцип действия трансформатора
Парадокс трансформатора, а также следующий из него и противоречащий
всем канонам электрофизики вывод, заставляют пересмотреть принцип работы
обычного трансформатора.
Любую совокупность взаимосвязанных событий можно рассмотреть в динамике их развития во времени, даже происходящих, казалось бы, одновременно. Сделать это нам позволяет принцип причинности, согласно которому любую рассматриваемую совокупность событий можно разделить на две группы:
«события – причины» и «события – следствия» и, следовательно, позволяет
правильно, в строго хронологическом порядке, разместить их на оси времени.
Стоит особо заметить, что «событие – причина» и «событие – следствие» не
могут происходить одновременно, между ними обязательно должен оставаться
временнóй промежуток; и «событие – следствие» никогда и ни при каких условиях не произойдет раньше «события – причины».
Для облегчения понимания сути процессов в трансформаторе, применим
«лупу времени» – растянем временнýю шкалу (ось) событий, происходящих с
трансформатором во время его работы, и поэтапно рассмотрим все эти события.
1. Процесс намагничивания магнитопровода трансформатора
а) Появление тока в первичной обмотке (на рисунках обмотки показаны в
виде сечений витков) вызывает в части магнитопровода трансформатора, размещенной внутри обмотки, переориентацию магнитных полей доменов вдоль
возникшего магнитного поля. На рис. 4 показано первоначально наведенное
(инициированное) током первичной обмотки магнитное поле.
Рис. 4
в) Наведенное током первичной обмотки первоначальное магнитное поле
вследствие упорядочивания магнитных полей доменов резко усиливается (во
многие тысячи раз) и начинает расширяться сразу по двум направлениям – по
верхнему и нижнему ярмам магнитопровода (показано стрéлками) – началась
«цепная реакция» переориентации магнитных полей доменов магнитопровода
(рис. 5).
Рис. 5
с) Цепная реакция переориентации магнитных полей доменов магнитопровода продолжается, протяженность результирующего поля и его индукция В
продолжает увеличиваться (рис. 6).
Рис. 6
d) Цепная реакция переориентации магнитных полей доменов магнитопровода продолжается, протяженность результирующего поля и его индукция В
продолжает увеличиваться (рис. 7).
Рис. 7
е) Заключительный этап развития магнитного поля в магнитопроводе
трансформатора. Весь объем магнитопровода намагничен. Магнитное поле
имеет максимальную степень развития – наибольшую протяженность линий
магнитной индукции и максимальную индукцию В=Вmax (рис. 8).
Рис. 8
Нетрудно понять, что ток в первичной обмотке, инициирующий магнитное
поле, достиг своего максимального значения Imax.
2. Процесс размагничивания магнитопровода трансформатора
При уменьшении тока в первичной обмотке от Imax до нуля, магнитное поле
начинает стягиваться, свертываться в последовательности, обратной развитию
(рис. 8, 7, 6, 5, 4).
Таким образом, в пространстве окна магнитопровода, при подключении
первичной обмотки под напряжение сети, постоянно бегает магнитная волна –
от стержня к стержню.
Каждый новый цикл такой «пробежки» начинается со смены направления
магнитного поля (каждый полупериод тока).
3. Анализ процессов намагничивания и размагничивания
магнитопровода трансформатора
Первое, что бросается в глаза при рассмотрении поэтапных картинок
намагничивания и размагничивания магнитопровода – «магнитное поле спо-
собно перемещаться в пространстве окна магнитопровода – бежит магнитная
волна».
Второе – появление электродвижущей силы в витках вторичной обмотки
очень легко и просто объясняется известной силой Лоренца, возникающей на
электронах металла этой обмотки – это именно она смещает электроны к одному из зажимов обмотки, создавая Э.Д.С. при пересечении витков магнитной
волной.
Третье – парадокс трансформатора исчез – теперь мы знаем, что магнитный поток сердечника трансформатора действительно не участвует в процессе
передачи энергии от первичной обмотки к вторичной, переносчиком энергии
является магнитная волна, перемещающаяся в окне магнитопровода.
Но, наличие магнитопровода есть необходимое условие для работы трансформатора, т.к. он выполняет сразу три функции:
1) является двигателем, перемещающим магнитную волну в пространстве
окна,
2) является усилителем магнитного поля, усиливает индукцию перемещающейся магнитной волны,
3) является вместилищем, конечным складом накопления развитого магнитного поля.
Четвертое – мы убедились, что источником энергии, возникающей во вторичной обмотке трансформатора, может быть только энергия движущейся магнитной волны. Но тогда должен быть и источник ее пополнения и таковым, по
простой логике вещей, может быть только электрический ток в первичной обмотке.
Таким образом, рассмотрев в динамике картину физических процессов,
протекающих в работающем трансформаторе, удалось выявить и понять: магнитное поле генерируется ускоренно движущимися электронами первичной
обмотки и перемещается в пространстве окна последовательным механическим
перемещением. При торможении электронов магнитное поле в обратной последовательности сходится, свертывается на электронах, его породивших.
Иными словами: электрон и магнитное поле, им рожденное, образуют
жесткую механическую систему со всеми свойствами, присущими таким системам (закон сохранения импульса, закон сохранения энергии).
4. Энергетические преобразования в трансформаторе
Процессы генерации и сворачивания магнитного поля сопровождаются отбором энергии из сети и последующим возвратом ее в сеть. Это есть режим холостого хода трансформатора. Из установившегося режима холостого хода следует обязательность равенства энергий преобразований: количество энергии,
затраченное сетью на генерацию магнитного поля, равно количеству энергии,
полученное сетью от его свертывания.
Процесс генерации магнитного поля сопровождается противодействием
первичной цепи трансформатора источнику питания, нам это противодействие
известно как «индуктивное сопротивление». При сворачивании магнитного поля на электронах первичной обмотки происходит «подхлестывание» электронов
(идет возврат энергии в сеть), квалифицируемое нами как Э.Д.С. самоиндукции.
Появление тока во вторичной цепи трансформатора приводит к нарушению баланса энергий преобразований, т.к. часть своей энергии магнитное поле
отдает электронам вторичной обмотки (в сеть вторичной обмотки). Недобор
энергии при свертывании поля немедленно восполняется отбором соответствующего количества ее из питающей сети. Баланс энергий преобразований восстанавливается.
Таким образом, заменив лишенные какого-либо физического смысла понятия «возникновение» и «исчезновение» магнитного поля понятиями «генерация» (в первую четверть полупериода графика тока Im sin ωt) и «свертывание»
(во второй четверти полупериода), мы описали принцип действия трансформатора, не изобретая новые поля и частицы. Мы лишь взглянули на давно известное под другим углом зрения. При этом выяснилось следующее:
1. Исчез парадокс трансформатора – теперь мы знаем, что магнитный поток сердечника трансформатора действительно не участвует в процессе передачи энергии от первичной обмотки к вторичной, переносчиком энергии является
магнитное поле (движущаяся волна) в пространстве окна магнитопровода.
2. Э.Д.С. во вторичной обмотке трансформатора создается хорошо известной силой Лоренца.
3. Так называемых уравновешивающих Э.Д.С. (Э.Д.С. самоиндукции) в
цепи переменного тока с индуктивностью нет, и вольтметр показывает нам это
объективно и беспристрастно.
5. Эффекты на трансформаторе
Обычный двухобмоточный трансформатор подключим к сети переменного
тока. В цепь первичной обмотки ω1 включим лампочку L1, а в цепь вторичной
обмотки ω2 включим лампочку L2. Условимся, что лампочки горят в полнакала.
Снабдим трансформатор третьей обмоткой ω3, охватывающей весь трансформатор.
Рис. 9
При подаче на обмотку ω3 переменного напряжения Uy от стороннего источника той же частоты обнаружим, что в зависимости от величины напряжения Uy или фазы между напряжениями Uy и Uc лампочки L1 и L2 или гаснут или
разгораются до полной яркости свечения. Тем самым мы обнаружили эффект
влияния «нелогичной» обмотки ω3 на режим работы трансформатора. При манипулировании типами и расположением обмоток ω1 и ω2 на стержнях магнитопровода выясняется, что эффект влияния распадается на 2 части:
Синхронный эффект – лампочки L1 и L2 погасают или разгораются одновременно;
Асинхронный эффект – одна из лампочек гаснет, в то время как другая разгорается;
Между тем находится такая конструкция и место расположения обмоток,
когда эффекты влияния не проявляются вовсе.
Если на «нелогичную» обмотку ω3 не подавать напряжение Uy, а подключить к ней измерительный прибор – вольтметр, то обнаружим генераторный
эффект, который опять же в зависимости от конструкции обмоток и их расположения распадается на:
1) Прямопропорциональный генераторный эффект – в «нелогичной» обмотке генерируется ЭДС (и выделяется мощность) прямо пропорциональная
мощности, проходящей через трансформатор.
2) Обратнопропорциональный генераторный эффект.
И также, как и в эффектах влияния, есть случай такого расположения обмоток, когда генераторные эффекты не возникают вовсе.
Изменение яркости свечения, по крайней мере лампочки L1 в эффектах
влияния, можно объяснить лишь одним: наблюдается эффект изменения индуктивности первичной обмотки ω1 трансформатора.
Т.е. индуктивность обмоток трансформатора (дросселя), полученная, как
факт, при его изготовлении, изменяется (регулируется) как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения ?!! от своего номинала.
Полученный результат защищен патентом РФ № 2138872.
Резюме
1. Магнитное поле рождается (генерируется) ускоренно движущимися
электронами и свертывается на этих же электронах при торможении последних – электрон и магнитное поле образуют жесткую механическую систему.
2. При рассмотрении принципа работы трансформатора не пришлось прибегать к понятию «вихревое электрическое поле» за ненадобностью. Отсюда
вывод – т.н. «вихревое электрическое поле», как физическая реальность, не существует.
Список литературы
1. Касаткин А.С. Электротехника. М., «Энергия», 1974 г.
2. Физический энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия»,
1984 г.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике. М., «Мир», 1983 г.