Tänapäevane elu sõltub pea täielikult elektrist – alates tööriistadest kuni seadmete, kodumasinate ja meelelahutuseni. Kõik meie ümber tundub olevat pidevalt laetud, ühendatud või vooluvõrgus.
Kasutame elektrit iga päev, peaaegu katkematult ja sageli sellele isegi mõtlemata. Enamasti võtame seda täiesti iseenesestmõistetavalt ja eeldame, et see ongi lihtsalt olemas, olgu siis meie seinal, voodi kõrval, laua ääres või köögis.
Samas unustame sageli, kui märkimisväärne infrastuktuuriline saavutus see tegelikult on. Veelgi enam, vähesed meist mõtlevad sellele, kuidas elekter üldse meieni jõuab ja mis selle teekonna võimalikuks teeb.
Siin tulebki mängu trafo ehk transformaator. See on väike, kuid hädavajalik elektromagnetiline seade, tänu millele saab elektrienergia liikuda elektrijaamast pistikupesani. Ilma trafota ei töötaks mitte ükski meie igapäevaselt kasutuses olev elektriseade. Enamgi veel, meil puuduks kodudes elekter.
Sellepärast tasub võtta hetk, et õppida tundma seda väikest, kuid võimsat seadet. Me ei märka tihti selle olemasolu, kuid selle puudumisel elaksime endiselt nagu oleks aastanumbriks 1820.
Mis on trafo?
Alustame kõige olulisemast küsimusest: mis on trafo ehk transformaator?
Lihtsustatult on trafo elektriseade, mis kannab elektrienergiat üle ühest vooluringist teise. Seda tehakse ilma otsese metallühenduseta kahe ahela vahel – see on võimalik üksnes tänu sellele, et kasutatakse vahelduvvoolu (AC - alternating current).
Vahelduvvool tähendab elektrivoolu, mille suund ja tugevus muutuvad perioodiliselt. Just see muutuv vool tekitab muutuva magnetvälja, mis võimaldab energiat ühest mähisest teise üle kanda. See ongi trafode tööpõhimõtte tuumaks.
Kuigi trafo toimimise idee võib tunduda lihtne (elektrienergia suunamine ühest vooluringist teise), on selle mõju tohutu. Trafod on elektrisüsteemide lahutamatu osa, kuna need võimaldavad omavahel ühendada erineva pingega vooluringe.
See on eriti oluline siis, kui on tarvis muundada kõrgepinge elektrit madal- või keskpinge tasemele, näiteks vahetult enne, kui elekter jõuab meie kodudesse.
Trafode roll elektri edastamisel
Praktiliselt kogu maailmas toodetav elektrienergia läbib oma elutsükli jooksul vähemalt ühe trafo, sageli isegi mitu. Ainult imeväike osa elektrist toodetakse kohapeal, näiteks väikeste generaatoritega, mis ei vaja kaugemale edastamist. See tähendab, et iga kord, kui lülitad kodus tule põlema või käivitad mõne seadme, on väga tõenäoline, et selleks kasutatav energia on mingil hetkel läbinud trafosüsteemi.
Elektrienergia liigub meie kodudesse läbi tohutu mastaabiga elektrivõrkude, mis ulatuvad sageli üle riigipiiride ja isegi mandrite. Kuna elektrivool peab tootjast lõpptarbijani läbima pikki vahemaid, jagatakse elektrivõrk väiksemateks lõikudeks. See on võimalik just tänu trafodele.
Selline jaotus suurendab võrgu stabiilsust ja võimaldab rikete korral probleeme kiiremini isoleerida.
Pingemuundus: trafode peamine ülesanne
Trafode üks olulisemaid rolle on muuta elektrivoolu pinget vastavalt vajadusele.
- Pinget tõstev trafo (ingl step-up transformer) suurendab pinget, et elektrit saaks efektiivsemalt kaugele transportida.
- Pinget alandav trafo (ingl step-down transformer) vähendab pinget, et elektrit saaks ohutult tarbida.
Need astmelised trafod moodustavad kogu elektrivõrgu selgroo ja teevad selle võimalikuks, et elekter meie kodudeni jõuaks.
Mis vahe on pingel ja voolutugevusel?
Elektrienergiat edastatakse väga kõrge pingega vahelduvvoolu abil.
Miks mitte teha seda kõrge vooluga? Sest mida suurem on voolutugevus, seda rohkem energiat muutub soojuseks, mis juhi kaudu edastamisel kaotsi läheb. See vähendab efektiivsust ja põhjustab juhtmete kuumenemist.
Voolutugevus näitab, kui kiiresti elektrilaeng juhis liigub. Mida suurem vool, seda kiiremini energia liigub, kuid ka seda rohkem kaob seda teel.
Kus:
- I - voolutugevus (amprites, A)
- Q - elektrilaeng (kulonites, C)
- t - aeg (sekundites, s)
Pinge (voltides) kirjeldab elektripotentsiaali erinevust kahe punkti vahel juhis. See on justkui elektriline „surve“, mis paneb voolu liikuma.
Kus:
- U - pinge (voltides, V)
- W - tehtud töö või energia (džaulides, J)
- Q - elektrilaeng (kulonites, C)
Et mõista, kuidas elektrivool ja pinge üksteist reaalsetes vooluringides mõjutavad, tuleb appi Ohmi seadus.
See füüsikaseadus kirjeldab seost pingekao, voolutugevuse ja takistuse vahel juhis. Mida suurem on juhtme takistus, seda rohkem pinget kulub, et vool saaks liikuda.
Kus:
- U - pinge (voltides, V)
- I - voolutugevus (amprites, A)
- R - elektritakistus (oomides, Ω)
See lihtne seos on aluseks sellele, kuidas me arvutame pingekadusid, kujundame elektrisüsteeme ning valime juhtmete ristlõike, et vältida ülekuumenemist.
Pinge muundamine elektrivõrgus
Selleks et elektrit suurtel vahemaadel efektiivselt edastada, kasutatakse väga kõrget pinget. Kuid siin on üks probleem: kõrge pinge on kasutamiseks ohtlik.
Seepärast tõstetakse elektritootmise juures trafode abil esmalt pinge väga kõrgele ning hiljem alandatakse seda, enne kui elekter meie kodudesse jõuab.
- Kõrge pinge = efektiivne transport
- Madal pinge = ohutu kasutamine
Riiklikud elektriliinid töötavad pingega, mis küündib tuhandetesse voltidesse. Ükski kodune seade, olgu selleks veekeetja või sülearvuti, ei pea sellisele pingele vastu.
Just seetõttu on trafod elektrivõrkudes efektiivsuse ja ohutuse jaoks hädavajalikud. Ilma nendeta poleks võimalik elektrit ohutult ega tõhusalt lõpptarbijani toimetada.
Kuidas trafo töötab?
Nüüdeks tead, mida trafod teevad. Aga kuidas nad seda teevad? See küsimus viib meid magnetismi ja elektromagnetismi juurde.
Magnetism on füüsikaline nähtus, mille puhul teatud materjalid (nagu raud, nikkel ja koobalt) tõmbuvad üksteise poole või tõukuvad vastastikku magnetvälja kaudu, ilma otsese kontaktita.
Elektromagnetism on nähtus, mis ühendab omavahel elektrivoolu ja magnetvälja. Neid ei saa vaadelda eraldiseisvate jõududena, vaid pigem kui ühe mündi kahe küljena. Trafod töötavad selle seose ärakasutamise põhimõttel.
Hoolimata oma olulisusest on trafod ehituselt üsna lihtsad seadmed. Neis on kaks vasktraadist mähist (ehk pooli), mis on keritud ühe ferromagnetilise südamiku ümber (kujuta seda ette kui rauast rõngas). Üks pool on nn primaarmähis ja teine sekundaarmähis.
Kui primaarmähisesse juhitakse vahelduv elektrivool, tekib selle ümber muutuv magnetväli. See magnetväli levib läbi metallist südamiku ja indutseerib voolu ka teisel pool asuvas sekundaarmähises. See protsess ongi elektromagnetiline induktsioon, mis on trafode tööpõhimõtte keskmes.
Seda nähtust kirjeldab Faraday seadus, mis on oma nime saanud Briti teadlase Michael Faraday järgi, kes elektromagnetilise induktsiooni avastas. Faraday järeldas, et muutes sekundaarmähise keerude arvu, saab muuta pinget, mis selles teises vooluringis tekib.
Faraday ja magnetvoog
Michael Faraday avastas elektromagnetilise induktsiooni põhimõtted, millest on tänapäevaks saanud trafode töö aluseks olev tehnoloogia.
Ta ehitas lihtsa katse jaoks väikese trafo, just sellise, nagu eelnevalt kirjeldasime – raudsüdamik kahe vasktraadist mähisega vastaskülgedel. Faraday ühendas ühe pooli patareiga ning teise galvanomeetriga (seade, mis tuvastab muutusi elektrivoolus).
Ta märkas katse käigus midagi olulist: elektrivool tekkis sekundaarmähises ainult siis, kui ta ühendas või lahutas patarei primaarmähise küljest. Kui vool voolas ühtlaselt ja pidevalt, ei tekkinud teises poolis mingit elektrilist reaktsiooni.
See oligi Faraday avastuse keskne järeldus: elektrivoolu edastamiseks ei piisa lihtsalt olemasolevast voolust, vaja on muutust. Elektrivoolu muutumine põhjustab muutuse magnetvoos raudsüdamikus, mis omakorda võimaldas voolul teise mähisesse jõuda.
Vahelduvvoolu olulisus
Faraday avastus selgitab, miks trafod töötavad ainult vahelduvvoolu (AC) abil ning mitte alalisvooluga (DC).
Alalisvool liigub alati ühes suunas ja on stabiilne. Vahelduvvool seevastu muudab pidevalt oma suunda ja tugevust. Just see muutuv vool tekitab muutuvat magnetvoogu, mis omakorda võimaldab elektrienergia ülekandmist trafos. Ehk täpsemalt: indutseerib voolu sekundaarmähises.
Kui magnetväli oleks konstantne ega muutuks ajas, ei toimuks ka mingit elektrienergia ülekannet. Trafo töö eeldab pidevat muutust, mida suudab pakkuda ainult vahelduvvool.
Elektromagnetismi tähtsus
Faraday tegi selle murrangulise avastuse juba 1820. aastatel. Kuigi tänapäeval keskendutakse trafode töö tõhusamaks muutmisele, on nende põhimõte jäänud muutumatuks.
See näitab, kui määrava tähtsusega on elektromagnetism kogu meie maailma toimimise jaoks. See pole lihtsalt üks füüsikaline nähtus, vaid üks neljast fundamentaalsest loodusjõust, millele tugineb terve meie tehnoloogiline tsivilisatsioon.
Trafod on märkamatud, ent asendamatud komponendid elektrivõrkudes. Ilma trafodeta ei oleks võimalik elektrit tõgusalt transportida ega ohutult kasutada. See teeb neist ühe olulisema tehnoloogia, mille najal kogu kaasaegne elu toimib.
Kas sulle meeldis see artikkel? Jäta hinnang
Laadin...
