変圧器は、2 つ以上の回路間で電気エネルギーを転送する静電気デバイスです。
田舎をドライブ中に長い送電線を見たことがありますか。これらの送電線は家庭に電力を供給しており、通常は 400,000 ～ 750,000 ボルトの定格電圧です。問題は、通常 110 ボルトと 240 ボルトで動作する日常の電化製品に、このような高電圧がどのように役立つかということです。電力線の 1 つから直接ラップトップや携帯電話の電源を入れようとすると、デバイスはすぐに燃え尽きてしまいます。では、この高電圧はどこでどのように低電圧に変換されるのでしょうか?そこでトランスが登場し、重要な役割を果たします。それでは、変圧器の理解に移る前に、まず高電圧電力システムについてもう少し理解してみましょう.
高電圧システム
考えられる論理的な疑問の 1 つは、なぜ送電線が 125 ～ 240 ボルトで伝送しないのかということです。それを説明するには、まず電気が特定の距離を移動するときにどのように振る舞うかを理解する必要があります。電気が金属線を流れると、電子は一定量のエネルギーを一緒に運びます。電子がワイヤを通過するとき、電子は、電子による抵抗の経験により、運んでいたエネルギーの一部を失います。電気が流れると電線が熱くなるのはそのためです。使用する電気の電圧が高いほど、電流が低いほど、エネルギーの浪費が少なくなることがわかります。このように、発電所から来る電気は、エネルギーを節約するために非常に高い電圧で電線に送られます。
変圧器は、50 Hz と 60 Hz のどちらの周波数で動作するかによって、わずかに異なる種類のうなり音を生成します。 （写真提供：フリッカー）
ただし、別の理由もあります。産業機器には、大量の電力を消費する大型の機械があります。電化製品が使用するエネルギーは、使用する電圧に正比例します。これらの電力を大量に消費するマシンは、10,000 ～ 30,000 ボルトを使用する場合があります。小規模な産業では、わずか 400 ボルト程度の電源しか必要としない場合があります。簡単に言えば、社会の階層が異なれば、消費電力のニーズも異なります。発電所から高電圧の電気を輸送し、さまざまな目的地に到達したときに低電圧に変換することは理にかなっています。
トランスフォーマー
変圧器は、2 つ以上の回路間で電気エネルギーを伝達する静電気デバイスです。変圧器はまた、電磁気学の非常に基本的な法則に基づいています。つまり、変動する電流がワイヤを流れると、ワイヤの周りに磁束が生成されます。磁束密度の強さは、電流の大きさに直接関係します。したがって、電流が大きいほど、磁場は強くなります。電気の振る舞いに関連する興味深い現象があります。磁場がワイヤーの周りに誘導されると、ワイヤーに電流が発生するので、最初のコイルの隣に2番目のワイヤーコイルを置き、変動する電流を最初のコイルに送ると、 2 番目のワイヤに電流を作成します。ここで行ったことは、ワイヤのコイルから別のコイルに空間を介して電流を流すことです。これは、最初のコイルの電流が 2 番目のコイルの電流を引き起こす (または「誘導する」) ため、電磁誘導と呼ばれます。
(写真提供:Eviatar Bach/Wikimedia Commons)
ワイヤーのコイルを作るには、ワイヤーを丸めます。 2 番目のコイルの巻数が 1 番目のコイルと同じ場合、2 番目のコイルの電流は 1 番目のコイルの電流とほぼ同じ大きさになります。ただし、変圧器の興味深い点は、2 番目のコイルの巻き数を増減すると、2 次電流と電圧を 1 次電流と電圧よりも大きくしたり小さくしたりできることです。電流が変動していることを認識することが重要です。つまり、変圧器に関して言えば、電流は交流（AC）でなければなりません。変圧器は、定常電流または直流 (DC) では機能しません。
ステップ アップおよびステップ ダウン トランス
2 番目のコイルの巻数が 1 番目のコイルの半分の場合、2 次電圧は 1 次電圧の半分の大きさになります。 2 番目のコイルの巻き数が 10 分の 1 の場合、電圧は 10 分の 1 になります。一般に、降圧トランスには一次側に 1000 個のコイル、二次側に 100 個のコイルがあります。これにより、電圧が 10 分の 1 に減少しますが、同時に電流が 10 倍になります。電流の電力は、電圧と電流の積に等しくなります。変圧器では、2 次コイルの電力が理論的には 1 次コイルの電力と同じであることがわかりますが、実用的な現実世界のすべての設定では、1 次コイルと 2 次コイルの間でいくらかの電力損失があります。磁束の一部がコアから漏れたり、コアが加熱されて一部のエネルギーが失われたりします。
昇圧トランスの場合、二次巻線には一次巻線に比べて膨大な巻数が含まれています。これらのトランスは通常、非常に大きな巻数比を持っています。巻数比は、二次巻線の数と一次巻線の数の比として定義できます。これらの変圧器は、エネルギー生成で発生する電圧値を高め、長距離エネルギー伝送に備える状況で使用されます。この電流値は、エネルギー伝送には実用的ではなく、伝送電力損失 (R × I*I、ここで R は抵抗を表し、I は電流を表します) のために減少する必要があります。長距離のエネルギー伝送は、変圧器なしでは不可能です。これで、変圧器が私たちの日常の電気生活でどのように極めて重要な役割を果たすかについて、もう少し理解できました!
