Больше ста лет назад знаменитый английский ученый Майкл Фарадей сконструировал прибор, который представлял собой прообраз первого в мире трансформатора.
Трансформатором он тогда не назывался — так его назвали через несколько десятков лет, — а свой прибор Фарадей сделал для опытов с индукцией электрических токов.
Дело было так. 24 ноября 1831 года Фарадей представил Королевскому обществу доклад, который назывался "Опытные исследования по электричеству".
Рис. 73. Кольцо Фарадея.
Это был замечательный доклад. Фарадей открыл то, что сейчас называется электромагнитной индукцией и что дало возможность изобрести динамомашину, а затем и электродвигатель— электромотор. В докладе Фарадея было описано множество опытов, и между ними вот какой.
Из мягкого круглого пруткового железа Фарадей свернул кольцо (рис. 73) и намотал на него две катушки — Л и В. Медная проволока катушек была хорошо изолирована. К концам катушки В Фарадей присоединил гальванометр. В тот момент, когда к концам катушки А была присоединена батарея элементов, стрелка гальванометра на мгновение резко отклонилась. Это было удивительно: ведь провода батареи никак не соединялись с обмоткой гальванометра, и катушки Л и В не были соединены ни между собой, ни с железным кольцом. Фарадей разомкнул цепь батареи, и успокоившаяся было стрелка гальванометра снова на мгновение резко отклонилась, но теперь уже в другую сторону.
Сколько раз ни включал и ни выключал Фарадей батарею, стрелка в эти моменты всегда резко отклонялась, а потом возвращалась в прежнее положение. Стрелка отклонялась только в моменты включения и выключения тока. Тогда не был еще известен переменный ток, каким мы пользуемся дома.
Ток городской сети непрерывно меняется. Значит, если мы его подведем к одной из обмоток кольца Фарадея, во второй обмотке будет непрерывно индуктироваться ток.
С помощью кольца Фарадея наш городской ток можно трансформировать — преобразовывать его напряжение и силу; поэтому прибор Фарадея впоследствии был назван трансформатором. В трансформаторе две обмотки; к концам первой мы подводим одно напряжение, а на концах другой, намотанной поверх или рядом с первой, получаем другое напряжение.
Рис. 74 Опыт с лампочкой.
Попробуйте проделать такой интересный опыт. Вырежьте из жести 50—60 полосок длиной по 90 мм и шириной 20 мм. Сложите их вместе и туго оберните бумагой. На эту пачку полосок приклейте поверх бумаги две картонные "щеки" на расстоянии 60 мм одна от другой. Намотайте на полоски 1500 витков медной изолированной проволоки диаметром 0,2 мм. Концы обмотки выведите толстыми проводами для включения в осветительную сеть.
Сделайте еще одну катушку в 150 витков провода диаметром 0,5—0,6 мм. Отверстие в этой катушке должно быть таким, чтобы она легко надевалась на сердечник первой катушки тонкого провода.
К концам второй катушки присоедините лампочку карманного фонарика, а первую катушку включите в осветительную сеть (рис. 74). Только не держите эту катушку включенной <в. сеть продолжительное время: она очень сильно нагревается, и проволока может перегореть.
Если поднести катушку с лампочкой к катушке, включенной в сеть, произойдет замечательное явление: волосок лампочки станет накаляться и наконец засияет белым светом. Это — индукция. Переменный ток первой катушки возбудил переменный магнитный поток, который создал переменный ток во второй катушке. Это — трансформатор. Так мы можем трансформировать — преобразовывать — переменный ток в зависимости от того, сколько витков намотано на катушки. Если на второй катушке меньше витков, чем на первой, напряжение на ее концах будет во столько раз меньше, во сколько раз меньше витков на ней.
У нас на первой катушке 1500 витков, а на второй 150 — в десять раз меньше. Значит, если к первой катушке подведено напряжение в 120 вольт, на концах второй получится в десять раз меньше — всего 12 вольт.
Но так можно рассчитывать только в том случае, если первичная и вторичная обмотки намотаны очень близко одна к другой и если толщина проволоки одна и та же. Часть энергии теряется еще по некоторым другим причинам, и поэтому в нашем опыте во вторичной обмотке получается -значительно меньше 12 вольт.
При изготовлении трансформатора можно сделать вторую катушку с большим числом витков, чем в первой; тогда напряжение на ее концах будет больше. Если на вторую катушку намотать 6000 витков, она даст напряжение в 480 вольт.
Вот какой замечательный прибор трансформатор!
А зачем нужны трансформаторы?
Дело в том, что при прохождении по проводам тока они нагреваются. И чем тоньше провод, тем легче току его нагреть. Но чем выше напряжение (вольты) и чем меньше сила тока (амперы), тем меньше нагреваются провода. От городской электростанции расходится сеть проводов по городу. Чтобы не терять даром много электрической энергии, нужно или делать провода очень толстыми, а это дорого, или передавать энергию на высоком напряжении, а это опасно для жизни людей. Кроме того, очень высокое напряжение трудно использовать для накаливания нитей электрических лампочек и для приведения в движение электромоторов. Тут и пришли на помощь трансформаторы.
Рис. 75. Самодельный трансформатор.
Электрические станции дают ток высокого напряжения (несколько тысяч в'ольт) во все концы города. В разных местах города стоят трансформаторы и преобразовывают высокое напряжение в удобное для использования низкое напряжение. От трансформаторов идут не очень длинные провода. Ток по ним течет сравнительно небольшой, и энергии теряется немного. И экономно и удобно.
Трансформированный уже ток, которым мы пользуемся дома, можно еще сколько угодно раз трансформировать.
Нам для наших электромоторов нужно напряжение в 4—8—12 вольт.
Его нетрудно получить с помощью самодельного трансформатора (рис. 75).
Сердечник трансформатора сделайте из жести или кровельного железа. Заготовьте 80 полосок жести длиной по. 28 см и шириной 2,5 см. На деревянном бруске склейте прочную катушку с внутренним отверстием 2,5X 2,5 см и длиной 7 см. На эту катушку намотайте 800 витков провода диаметром 0,25 мм. К этой обмотке мы подведем городское напряжение, поэтому изоляция ее должна быть очень хорошей, лучше всего двойной, марки ПБД или ПШД. Концы обмотки выведите через "щеки" катушки осветительным шнуром.
На эту первичную обмотку намотайте вторичную. Нам нужно получить напряжение в 4—8—12 вольт. Значит, если напряжение городской сети 120 вольт, количество витков, вторичной обмотки должно быть в 30, 15 и 10 раз меньше первичной — 27, 54 и 80 витков. Если напряжение городской сети 220 вольт, лучше, не изменяя числа витков вторичной обмотки, увеличить вдвое количество витков первичной: намотать не 800, а 1600 витков проводом 0,2 мм, при этом немного увеличив размеры катушки.
Рис. 76. Схема трансформатора.
Но, изготовляя трансформатор, при расчете вторичной обмотки нужно учесть, что вместо специального трансформаторного железа мы применяем жесть от консервных -банок, не очень аккуратно делаем обмотки и в результате не получаем расчетной величины напряжения. Поэтому лучше увеличить количество витков во вторичной обмотке и намотать 37, 75 и 112 витков. Конечно, не нужно мотать отдельно 37, 75 и 112 витков, достаточно намотать всего 112 витков и сделать отводы от 37-го и 75-го витков. Тогда, если мотор присоединим к первой части обмотки, а остальную оставим свободной, мы получим на нем напряжение в, 4 вольта; если включим до отвода 75-го витка, получим 8 вольт; включение всей вторичной катушки даст нам 12 вольт (рис. 76).
Эта обмотка должна давать большой ток низкого напряжения. Тонкий провод при прохождении по нему большого тока нагревается, поэтому вторичную обмотку нужно намотать проводом диаметром не меньше 0,8 мм; лучше всего взять провод диаметром 1,2 мм.
Когда будете мотать первичную обмотку, через каждые несколько рядов прокладывайте ленту парафинированной бумаги во всю ширину катушки. Это улучшит изоляцию. Всю первичную обмотку оберните двумя-тремя слоями бумаги и уже поверх нее мотайте вторичную.
В готовую катушку вставьте заготовленные жестяные или железные полоски — столько, сколько удастся вогнать.
Рис. 77. Конструкция сердечника.
Катушка должна быть туго набита. .Половину полосок загните на правую сторону, половину на* левую. Чтобы в месте соединения не получилось утолщения, сводите полоски встык, но стыки делайте в разных местах (рис. 77). Излишки полосок срезайте.
Получше сожмите полоски и в нескольких местах туго перевяжите крепкой ниткой или изоляционной лентой. Если полоски не будут плотно прижаты друг к другу, во время работы трансформатора они будут дрожать и гудеть Для лучшей работы трансформатора полезно сначала отжечь (нагреть докрасна, а затем медленно остудить) полоски сердечника, а затем покрыть их лаком или оклеить папиросной бумагой с одной стороны.
Готовый трансформатор укрепите на доске, пров'ода вторичной обмотки подведите к трем клеммам с надписями: "4—8—12 вольт", а концы первичной выведите осветительным шнуром с вилкой на конце.
Во время работы трансформатор немного нагревается. Не обращайте на это внимания — все равно трансформатор хорошо работает. Конечно, если трансформатор так сильно нагревается, что изоляция обмоток начинает дымиться, это плохо. Значит, где-нибудь повреждена изоляция проводов. Придется разобрать трансформатор, тщательно осмотреть изоляцию проводов и снова намотать.
Если все сделаете аккуратно, сможете безопасно пользоваться. городской сетью, не боясь того, ччто перегорят пробки и квартира останется без света. Трансформатор — прекрасный аппарат для питания самодельных электромоторов и проведения многих электротехнических опытов.