Transformátor se dvěma sekundárními vinutími

Pokus číslo: 902

Cíl pokusu
Pokus ukazuje chování magnetického obvodu v transformátoru se dvěma sekundárními vinutími.
Upozornění
Není pravděpodobné, že byste tento experiment realizovali ve výuce naživo. Chceme ale umožnit jeho využití alespoň formou videa jako problémového experimentu vhodného pro nadanější studenty.
Teorie
Transformátor je tvořen primárním a sekundárním vinutím. Pokud na primární cívku přivedeme střídavé napětí, vytvoří se okolo ní proměnné magnetické pole, díky kterému se bude v sekundárním vinutí indukovat napětí a (v případě uzavřeného obvodu) poteče v něm proud. Tím ale okolo sekundárního vinutí vzniká proměnné magnetické pole, díky kterému se v primární cívce indukuje napětí (a teče proud). Mezi primární a sekundární stranou transformátoru tak vzniká zpětná vazba.

Velikost napětí indukovaného v každém závitu sekundární cívky je rovna velikosti časové změny magnetického indukčního toku v primární cívce:
\[U_\mathrm{i}=\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\]
Velikost indukčního toku cívkou je závislá kromě jiného na ploše cívky - má-li cívka dvojnásobnou plochu, je (za jinak stejných podmínek) dvojnásobný i magnetický indukční tok.

Pokud je napětí indukované v sekundární civce větší než napětí přiváděné na primární cívku, mluvíme o tzv. transformaci nahoru, v opačném případě o transformaci dolů. Pokud je sekundární i primární napětí stejné, mluvíme o transformátoru 1:1. K transformaci beze změny velikosti napětí dochází i v tomto experimentu - sekundární strana má sice dohromady dvojnásobný počet závitů, ty jsou ale vinuty na jádře s polovičním průřezem.
Pomůcky
- zdroj střídavého napětí 4 V
- transformátor 3x 360 z.
- žárovka 3,5 V/0,2 A
- krokosvorky, spojovací vodiče
Popis použitého transformátoru
Hlavní součástí experimentu je transformátor s jedním primárním vinutím a dvěma sekundárními. Pro jeho výrobu bylo použitu feritové jádro EE s největším rozměrem 55 mm. Všechna vinutí mají cca 360 závitů, jsou vinuta smaltovaným drátem o průměru 0,5 mm. Vzhledem k tomu, že prostřední (primární) sloupek má dvojnásobný průměr než oba krajní (sekundární), jedná se o transformátor v poměru 1:1.
Zapojení obvodu
Zapojte transformátor podle schématu:

Primární stranu transformátoru (prostřední cívka) připojte ke zdroji střídavého napětí 4 V. K jedné sekundární cívce připojte žárovku 3,5 V/0,2 A. K druhé sekundární straně připojte dva vodiče, ale nechte je rozpojené.
Provedení pokusu
Připojte primární část transformátoru ke zdroji střídavého napětí 4 V. Pokud přívody k druhé sekundární cívce necháte rozpojené, žárovka nesvítí (nejvýše lehce žhne). Pokud ale druhou sekundární stranu zkratujete, žárovka se rozsvítí naplno. Druhá sekundární strana tedy slouží jako „vypínač“ žárovky, přestože obě sekundární cívky jsou galvanicky zcela odděleny a na primární cívku přivádíme stále stejné napětí.

Vysvětlete, jak je možné ovládat žárovku z galvanicky zcela odděleného obvodu.
Vysvětlení - chování magnetického obvodu
Magnetický obvod transformátoru si lze představit v analogii s elektrickým obvodem: obě sekundární strany transformátoru představují paralelní části obvodu, primární strana slouží jako „zdroj“. Místo elektrického proudu „teče” tímto obvodem magnetický indukční tok.

Je-li „vypínač” rozpojen, není v této větv nic, co by působilo proti magnetickému indukčnímu toku, větev si proto lze v analogii s elektrickým obvodem představit jako zkratovanou. Naopak ve větvi žárovky vytváří cívka magnetický indukční tok proti primárnímu toku, v analogii s elektrickým obvodem si lze představit, jako by zde byl zapojen rezistor. Proto teče většina magnetického indukčního toku vypínačovou stranou.

Pokud vypínač sepneme, výrazně zvětšíme „odpor” této větve, většina magnetického indukčního toku tedy poteče větví žárovky — což samozřejmě znamená zvětšení indukovaného napětí a proudu ve vinutí této strany transformátoru a tedy větší proud tekoucí žárovkou.
Původní zdroj
Experiment je upraven podle originálu: Vanderkooy, J., Lowe, J.: Magnetic circuit demonstration. Am. J. Phys. Vol. 63, No. 6, June 1995