Transformatorn och elnätet

En transformator ändrar spänningen i en växelströmskrets utan rörliga delar. Den har två spolar, en primärspole och en sekundärspole, lindade runt samma järnkärna men utan att trådarna rör varandra. Växelströmmen i primärspolen skapar ett magnetfält som hela tiden ändras, och det ändrade fältet inducerar en ny spänning i sekundärspolen – precis den induktion du redan känner igen, bara använd för att göra om spänningen.

I en ideal transformator bestäms spänningsändringen av hur många varv de två spolarna har: U1 / U2 = N1 / N2, där U1 och U2 är spänningarna över primär- respektive sekundärspolen i volt, och N1 och N2 är antalet varv i var spole. Har sekundärspolen fler varv än primärspolen stiger spänningen, har den färre varv sänks den.

I en förlustfri transformator är effekten lika stor på båda sidor, U1 · I1 = U2 · I2, så om spänningen blir tio gånger så hög blir strömmen en tiondel så stor. Det är precis det elnätet utnyttjar: kraftverket skickar ut el vid hög spänning, ofta hundratusentals volt, för att strömmen – och därmed värmeförlusten i kablarna, som växer med strömmen i kvadrat – ska bli så liten som möjligt på den långa resan. På vägen sänker flera transformatorer spänningen i steg, och den sista, nära din bostad, ger de 230 V som används i svenska eluttag.

Laddaren till din mobil eller dator innehåller också en transformator, med fler varv på primärsidan än på sekundärsidan. Den sänker spänningen till några volt, och elektronik i laddaren gör om växelspänningen till den likspänning som batteriet behöver. Eftersom en transformator kräver ett magnetfält som ändras hela tiden fungerar den inte med jämn likström – kopplar du en ren likström till primärspolen blir fältet konstant, och utom i själva ögonblicket när du sluter eller bryter kretsen induceras ingen spänning i sekundärspolen.

Formler

U1 / U2 = N1 / N2

Spänningsförhållandet mellan primär- och sekundärspole. U1 och U2 är spänningarna i volt, N1 och N2 är antalet varv på respektive spole. Gäller en ideal transformator och stämmer väl för de flesta verkliga.

U1 · I1 = U2 · I2

Effekten är lika stor på båda sidor av en förlustfri transformator. I1 och I2 är strömmarna i ampere. Höjs spänningen sänks strömmen i samma proportion.

Det här lär du dig

Förklara hur en transformator använder induktion för att ändra spänning
Räkna med formeln U1 / U2 = N1 / N2 för att hitta okänd spänning eller ett okänt antal varv
Förklara sambandet U1 · I1 = U2 · I2 och varför ström och spänning ändras åt motsatt håll
Motivera varför elnätet använder hög spänning för långväga transport
Känna igen transformatorer i vardagsteknik som laddare

Begrepp att kunna

transformator: En enhet som ändrar spänningen i en växelströmskrets med hjälp av två spolar och induktion, utan rörliga delar.
primärspole: Den spole på en transformator som är kopplad till strömkällan och skapar det ändrade magnetfältet.
sekundärspole: Den spole där den nya spänningen induceras, och som är kopplad till det som ska drivas.
uppåttransformator: En transformator där sekundärspolen har fler varv än primärspolen, så att spänningen höjs.
nedåttransformator: En transformator där sekundärspolen har färre varv än primärspolen, så att spänningen sänks.

Vanliga svårigheter

Tror att en transformator fungerar med likström

En transformator behöver ett magnetfält som hela tiden ändras för att inducera spänning i sekundärspolen. En jämn likström ger ett konstant fält i järnkärnan, utan förändring, och då induceras ingen spänning. Det krävs en ström som hela tiden ändras, till exempel växelström.

Tror att spänning och ström ändras åt samma håll

Det är tvärtom. Enligt U1 · I1 = U2 · I2 måste strömmen sänkas när spänningen höjs, för att effekten ska vara oförändrad. En transformator som fördubblar spänningen ger på utgångssidan en ström som bara är hälften så stor som på ingångssidan.

Tror att en transformator skapar ny energi

En transformator omfördelar bara förhållandet mellan spänning och ström, den tillför ingen ny energi. I en nära ideal transformator är effekten in nästan exakt lika med effekten ut, med bara små förluster som värme i järnkärnan och trådarna.

I verkligheten

Laddaren till en mobil eller dator är kopplad till ett vanligt vägguttag

Inuti sitter en liten nedåttransformator med betydligt fler varv på primärsidan än på sekundärsidan. Tillsammans med elektronik i laddaren gör den om 230 V växelspänning från uttaget till de få volt likspänning som batteriet laddas med.

Elen från ett kraftverk ska nå städer många mil bort

En transformator höjer spänningen till hundratusentals volt direkt vid kraftverket, så strömmen i de långa kraftledningarna blir liten och värmeförlusterna hålls nere. Närmare städerna sänker andra transformatorer spänningen stegvis ner till de 230 V som används i hemmen.

Tips

Räkna igenom U1 / U2 = N1 / N2 med egna påhittade antal varv flera gånger, både för att hitta en okänd spänning och för att hitta ett okänt antal varv när spänningarna redan är kända.
Tänk på primär- och sekundärsidan som en gungbräda: får sekundärsidan högre spänning än primärsidan får den lägre ström, eftersom U1 · I1 och U2 · I2 ska vara nästan lika stora.
Läs typskylten på en laddare du har hemma och jämför in- och utspänningen. Avgör om transformatorn inuti måste vara en uppåt- eller nedåttransformator, och lägg märke till att utspänningen är likspänning: laddaren innehåller alltså också elektronik som gör om växelspänningen.

Testa dig själv

1. En transformator har 1 000 varv på primärspolen och 100 varv på sekundärspolen. Primärspänningen är 230 V. Vad blir sekundärspänningen?

U2 = U1 · N2 / N1 = 230 · 100 / 1000 = 23 V. Eftersom sekundärspolen har en tiondel så många varv blir spänningen en tiondel så stor, och transformatorn fungerar som en nedåttransformator.

2. Varför skickar kraftverk ut el vid mycket hög spänning i stället för att skicka den direkt vid 230 V ut till kablarna?

Vid en given effekt minskar strömmen när spänningen höjs, eftersom U1 · I1 = U2 · I2. Värmeförlusten i en kabel beror på strömmen i kvadrat, så en mycket lägre ström vid hög spänning gör värmeförlusterna under den långa transporten betydligt mindre.

3. Vad händer om du kopplar en ren likström till en transformators primärspole i stället för växelström?

Ingen spänning induceras i sekundärspolen, utom ett kort ögonblick när kretsen sluts eller bryts. En konstant likström ger ett magnetfält som inte ändras, och utan en förändring i fältet finns ingen induktion. Transformatorn behöver en ström som ändras, till exempel växelström, så att fältet i kärnan hela tiden ändras.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Sambandet mellan elektricitet och magnetism samt mellan ström och spänning i elektriska kretsar. Hur kretsarna kan användas i elektrisk utrustning.
Fysik nivå 2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Elektriska och magnetiska fält samt samband mellan dessa. Induktion samt tillämpningar av växelström i generatorer och transformatorer.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Induktion och generatorer

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: