Сто років тому цей непримітний пристрій дозволив здійснити на практиці розподіл електроенергії. Хоча сучасна електротехніка і телекомунікації неможливі без цього пристрою, воно залишається одним з "Невоспетих героев" в історії технічного прогресу.
Науково-технічна революція, яка визначала розвиток цивілізації в протягом двох останніх століть, стала наслідком фундаментальних відкриттів і винаходів в області електротехніки та зв'язку, такі технічні новинки, як телефон і телевізор, міцно увійшли в наше повсякденне життя.
А ось винахід, завдяки якому ми отримали доступ до електроенергії,залишається в тіні, хоча і грає в нашому житті дуже важливу роль, це пристрій непомітно, воно не рухається, працює практично безшумно і, як правило, приховано від наших очей в окремих приміщеннях або за екранують перегородками.
Йдеться про трансформатор. Винайдений в XIX столітті трансформатор є одним з ключових компонентів сучасної електроенергетичної системи і радіоелектронних пристроїв. Він перетворює високі напруги в низькі (і навпаки) майже без втрат енергії.
Трансформатор - важливий елемент багатьох електричних приладів імеханізмів. Зарядні пристрої та іграшкові залізниці,радіоприймачі і телевізори - усюди працюють трансформатори, які знижують або підвищують напругу. Серед них зустрічаються як зовсім крихітні, не більше горошини, так і справжні велетні, масою в 500 тонн і більше.
Явище, яке лежить в основі дії електричного трансформатора, було відкрито англійським фізиком Майклом Фарадеєм в 1831 році при проведенні ним основоположних досліджень в області електрики. Через приблизно 45 років з'явилися перші трансформатори, що містили всі основні елементи сучасних пристроїв. Ця подія стала справжньою революцією в молодої тоді області електротехніки, пов'язаної зі створенням ланцюгів електричного освітлення. На рубежі століть електроенергетичні системи змінного струму стали вже загальноприйнятими, і трансформатор отримав ключову роль у передачі та розподілі електроенергії. А в подальшому він також зайняв істотне місце як в техніці електрозв'язку, так і в радіоелектронній апаратурі.
Сучасні трансформатори перевершують своїх попередників, створених до початку XX століття, по потужності в 500, а за напругою - в 15 раз; їх маса в розрахунку на одиницю потужності знизилася приблизно в 10 раз, а коефіцієнт корисної дії близький до 99%.
У своїх експериментах Фарадей спирався на результати датського фізика Ханса Крістіана Ерстеда, який в 1820 р встановив, що струм, що проходить по провіднику, створює навколо нього магнітне поле. Відкриття Ерстеда було сприйнято з великим інтересом, оскільки електрику і магнетизм вважалися до цього проявами абсолютно різних і незалежних один від друга сил. І вже якщо електричний струм міг породжувати магнітне поле, то здавалося цілком імовірним, що магнітне поле в свою чергу могло породжувати електричний струм.
У 1831 Фарадей показав, що для породження магнітним полем струму в провіднику необхідно, щоб поле було змінним. Фарадей змінював напруженість магнітного поля, замикаючи і перериваючи електричне коло, що породжує поле. Той же ефект досягається, якщо скористатися змінним струмом, т. е. струмом, напрямок якого змінюється з часом.
Це явище взаємодії між електричними і магнітними силами отримало назву електромагнітної індукції.
У трансформаторі обмотка з витків дроту, підключена до джерела харчування і породжує магнітне поле, називається первинною. Інша обмотка, в якій під дією цього поля виникає електрорушійна сила (ЕРС), називається вторинною. Індукція між первинною і вторинною обмоткою взаємна, так як струм, що протікає у вторинній обмотці, індукує ЕРС в первинної точно так же, як первинна обмотка індукує ЕРС у вторинній.
Більш того, оскільки витки первинної обмотки охоплюють власні силові лінії, в них самих виникає ЕРС. Це явище, зване самоіндукцією, спостерігається також і у вторинній обмотці.
На явищі взаємної індукції і самоіндукції заснована дія трансформатора. Для ефективної роботи цього пристрою необхідно, щоб між його обмотками існував зв'язок і кожна з них мала високу самоіндукцією. Цим умовам можна задовольнити, намотавши первинну і вторинну обмотки на залізний сердечник так, як це зробив Фарадей в своїх перших експериментах. Залізо збільшує кількість силових ліній магнітного поля приблизно в 10 000 разів. Про матеріали, що володіють такою властивістю, кажуть, що вони мають високу магнітну проникність. Крім того, залізний сердечник локалізує потік магнітної індукції, завдяки чому обмотки трансформатора можуть бути просторово розділені і все ж залишатися индуктивно пов'язаними.
В ідеальному трансформаторі всі силові лінії проходять через всі витки обох обмоток, і оскільки змінюється магнітне поле то породжує одну і ту ж ЕРС в кожному витку, сумарна ЕРС, індукована в обмотці, пропорційна повного числа її витків. Якщо в трансформатора не відбувається втрати енергії, потужність в колі вторинної обмотки повинна бути рівною потужності, що підводиться до первинної обмотки. Іншими словами, множення напруги на силу струму у вторинній обмотці має дорівнювати добутку напруги і струму в первинної. Таким чином, струми виявляються обернено пропорційними відношенню напруг в двох обмотках і, отже, відношення струмів обернено пропорційно відношенню числа витків в обмотках. Такий підрахунок потужності справедливий лише в тому випадку, якщо струми і напруги співпадають по фазі; умова високої самоіндукції забезпечує дуже малу величину струмів, що не збігаються за фазою.
Ідеальний трансформатор являє для інженерів-електриків інструмент, аналогічний важелю в механіці, але замість перетворень сили і переміщення трансформатор перетворює напругу і струм, замість відносини плечей сили кількісної характеристикою трансформатора є ставлення між числом витків в його обмотках. Звичайно, ідеального трансформатора не існує, але практично реалізовані пристрої дуже близькі до ідеальних. Залізний сердечник є неодмінною складовою частиною всіх сучасних силових трансформаторів, а мідь завдяки своєму низькому електричному опору була і залишається основним матеріалом, з якого виготовляють дріт для обмоток.
Після свого відкриття Фарадей не став детально дослідити відкрите явище, вважаючи, що його роботу продовжать інші. Однак в насправді виявилося, що протягом кількох наступних десятиліть пристрої, подібні трансформаторів, не знайшли широкого практичного застосування. Особливий інтерес представляли перші експерименти з "Індукторами", що складаються з дроту, намотаного на залізний сердечник. Зокрема, вивчення здатності цих пристроїв породжувати іскри, коли струм в обмотці переривався. Серед відомих вчених, що займалися цим явищем, був американець Джозеф Генрі, перший секретар і директор Смітсонівського інституту. Згодом його ім'ям була названа одиниця індуктивності.
У цих експериментах з'ясувалося, що струми, що циркулюють в суцільних металевих сердечниках, розсіювали енергію. Щоб звести до мінімуму ці так звані вихрові струми, сердечники стали робити непроводящими в напрямку, перпендикулярному магнітним силовим лініям трансформатора.
Тепер сердечники представляли собою "зв'язку" ізольованих залізних проводів.
У той час як джерела живлення для роботи з трансформаторами використовувалися в батареї, а щоб отримати необхідні зміни струму, первинний ланцюг періодично переривався і замикалася. Після того як в 60-х роках XIX було винайдена динамо-машина - генератор електроенергії, також заснований на відкриттях Фарадея, - з'явилася можливість використовувати змінний струм. Перший, хто приєднав трансформатор до джерела змінного струму, був Вільям Гроув, якому для його лабораторних дослідів знадоблося джерело високої напруги. Але цей дослід залишався непоміченим до тих пір, поки Томас Альва Едісон не почав працювати над здійсненням ідеї електричного освітлення в 1880-х роках.
До цього часу вже існували електричні лампи з платиновими нитками напруження і лампи на основі електричної дуги, або дугового розряду між двома електродами. Лампи обох типів працювали непогано, проте їх електричні характеристики накладали деякі обмеження на способи їх включення в електричний ланцюг. Зокрема, всі лампи підключалися послідовно, подібно ялинковим гірляндам, тому вони спалахували і гасли одночасно.
Хоча такий спосіб був прийнятний, наприклад, для вуличного освітлення, неможливість включати і вимикати окремі лампи в довільні моменти часу, а також висока напруга, необхідне при послідовному з'єднанні великої кількості освітлювальних приладів, перешкоджали його застосування в житлових будинках і на невеликих підприємствах. спосіб же паралельного з'єднання, в якому кожна лампа працює від свого власного ланцюга, вимагав занадто товстих мідних проводів для підведення досить сильного струму до лампам, які мали в той час відносно низький опір. Одним з головних винаходів Едісона була лампа розжарювання з вугільною ниткою, яка відкрила завдяки своєму високому опору шлях до практичної реалізації систем паралельного підключення освітлювальних приладів. Використовуючи ці лампи розжарювання і генератор постійного струму, Едісон в 1882 р створив в Нью-Йорку першу промислову систему електричного освітлення.
Приблизно в той же час трансформатори були вперше застосовані в системах електричного освітлення в Англії. Французький винахідник Люсьєн Х. Голара і англійський промисловець Джон Д. Гіббс скористалися трансформаторами для під'єднання ламп розжарювання до освітлювальної системі на дугових лампах. Оскільки дугові лампи з'єднувалися послідовно, первинні обмотки трансформаторів перебували в послідовному з'єднанні з дуговими лампами. У 1882 р Голара і Гіббс отримали патент на своє пристрій, названий ними вторинним генератором. Його роботу вони продемонстрували в 1883 р в Англії, а в 1884 р - в Італії. вторинний генератор не знайшов широкого застосування, однак він стимулював створення інших пристроїв.
Серед тих, хто зацікавився роботою Голара і Гіббса, були три угорських інженера з будапештського фірми Ganz and Company. вони були присутні при демонстрації дії вторинного генератора в Італії і прийшли до висновку, що послідовне з'єднання має серйозні недоліки. Після повернення в Будапешт Макс Дері, Отто Т. Блаженний і Карл Ціперовский сконструювали і виготовили кілька трансформаторів для систем паралельного з'єднання з генератором. Їх трансформатори (з замкнутими залізними сердечниками, які значно краще підходили для паралельного з'єднання, ніж "зв'язки" залізних дротів з відкритими кінцями) були двох типів. У першому типі провід намотувався на тороидальний сердечник, в другому, навпаки, залізні дроти сердечника намотувалися навколо тороідальних "зв'язків" провідників.
У травні 1885 р Дері, Блаженний і Циперновський продемонстрували на національній виставці в Будапешті свою систему, яку прийнято вважати прототипом сучасних освітлювальних систем. Вона складалася з 75 паралельно з'єднаних трансформаторів, підводили напругу до 1067 лампам розжарювання Едісона від генератора змінного струму з напругою 1350 В. Трансформатори мали тороїдальні залізні сердечники.
Система Голара і Гіббса справила також враження на американця по імені Джордж Вестінгауз. У 80-х роках Вестінгауз був уже визнаним винахідником і промисловцем. У той час він працював над системою розподілу природного газу для освітлення. Після успіхів, досягнутих Едісоном, Вестінгауз зацікавився новим джерелом енергії, але сумнівався в можливості її широкого застосування. Його скептицизм був в достатньою мірою виправданим. У паралельних системах збільшення навантаження вимагало збільшення сили струму, а навантаження в масштабах цілого міста зажадала б колосальних струмів. Однак передача електроенергії при великих токах неефективна. Потрібно було або передавати струм по дуже товстим мідним проводам, або будувати електростанції в безпосередній близькості від споживача, розкидавши безліч дрібних генераторів по всій території міста.
Багато фахівців шукали способи передачі електроенергії при більш високій напрузі в порівнянні з тим, що було потрібно в споживаючих пристроях. У 1884 р Вестінгауз найняв молодого інженера Вільяма Стенлі, у якого виникла ідея скористатися трансформатором для вирішення проблеми передачі електроенергії. Дізнавшись про роботу Голара і Гіббса, він порадив Вестінгауз придбати патенти на трансформатор. Стенлі був переконаний в перевагах паралельних схем з'єднання, і до початку літа 1885 р ним уже було створено кілька трансформаторів з сердечниками замкнутої форми.
Незабаром в зв'язку з погіршенням стану здоров'я Стенлі змушений був поїхати разом зі своєю лабораторією з промислового задимленого Піттсбурга. З схвалення Вестінгауз він переселився в Грейт-Беррінгтон, шт. Массачусетс, де продовжував працювати над трансформаторами. Тим часом Вестінгауз, ще не до кінця переконаний в ефективності паралельного з'єднання, експериментував з різними комбінаціями вторинних генераторів Голара і Гіббса разом з іншим піонером в області електротехніки Олівером Б. Шелленбергером.
До грудня 1885 р успіхи, досягнуті Стенлі, нарешті, переконали Вестінгауз і він разом з Шелленбергом і ще одним блискучим інженером Альбертом Шмідомм приступив до вдосконалення трансформатора Стенлі, з тим щоб він (на відміну від угорського тороідального пристрою) став простим і дешевим у виробництві. Спочатку сердечник виготовлявся з тонких залізних пластин у формі літери М. Обмотки з ізольованого мідного дроту намотувалися на горизонтальну частину сердечника, вільні кінці якого замикалися додатковими шарами залізних смужок. Стенлі запропонував виготовляти залізні пластини у формі літери Ш, щоб центральний стрижень можна було легко вставляти в заздалегідь намотану котушку. Ш-образні пластини вкладалися в чергуються протилежних напрямках, а на кінці пластин вкладалися прямі залізні смужки для замикання магнітного ланцюга. Ця конструкція трансформатора застосовується і в наші дні.
Сердечники перших трансформаторів Стенлі - Вестінгауз складалися з тонких пластин листової сталі і характеризувалися значними втратами на гістерезис - так називається ефект "запам'ятовування" в магнітних матеріалах, зменшує коефіцієнт корисної дії трансформатора. ці втрати поступово стали знижуватися за рахунок ретельного підбору сортів стали. З початку 1900-х років англійський дослідник-металург Роберт Хедфілд провів серію експериментів для встановлення впливу добавок на властивості заліза. Лише через кілька років йому вдалося поставити замовникам першу тонну трансформаторної сталі з добавками кремнію.
Наступний великий стрибок в технології виробництва сердечників був зроблений на початку 30-х років XX ст, коли американський металург Норман П.Гросс встановив, що при комбінованому впливі прокату і нагрівання у кременистої стали з'являються неабиякі магнітні властивості в напрямку прокатки: магнітне насичення збільшувалася на 50%, втрати на гістерезис скорочувалися в 4 рази, а магнітна проникність зростала в 5 разів.
Втім, удосконалення трансформаторів і схем електроживлення радіоелектронних пристроїв, заснованих на їх застосуванні, триває понині.