Метаматериал для усиления магнитных полей
Профессор университета Дьюка (Дюрэм, штат Северная Каролина, США) Ярослав Уржумов предложил метод усиления магнитной составляющей электромагнитных колебаний без увеличения при этом их электрической составляющей. Дело в том, что биологические ткани для магнитных полей прозрачны, и было бы полезно научиться усиливать именно магнитную составляющую электромагнитных колебаний.
Это открыло бы путь к созданию безопасных левитирующих поездов, к построению новых систем беспроводной передачи энергии, и к решению ряда других задач, где есть потребность в сильных переменных магнитных полях, и в то же время это должно быть безопасным для человека. Новые системы будут экономичнее и безопаснее уже существующих аналогов.
Для получения требуемого результата, Ярослав Уржумов предложил использовать магнитно-активный метаматериал, благодаря которому можно получать достаточно сильные магнитные поля, используя при этом ток сравнительно малой силы. Такое решение позволило бы снизить электрические поля, являющиеся в данном случае паразитными, и создавать безопасные и мощные электромагнитные системы.
Численное моделирование, проведенное Ярославом и его коллегами, показало, что созданные на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, макроскопические объекты способны при ряде условий усиливать магнитные силы в низкочастотных полях. Это явление исследователи назвали магнитостатическим поверхностным резонансом, который по принципу похож на имеющий место в оптике плазмонный поверхностный резонанс, проявляющийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.
Смоделированный учеными метаматериал, отличающийся очень высокой, особой анизотропией, обладает отрицательной в одном направлении магнитной проницаемостью, а во всех остальных направлениях магнитная проницаемость положительна. Судя по расчетам, изготовленные объекты будут способны резко усиливать магнитное поле именно за счет резонанса.
Применение этого явления в системах магнитной левитации позволит увеличить массу поднимаемых объектов во много раз, причем затраты электроэнергии, по сравнению с традиционными аналогами, не возрастут. Автор разработки, бывший студент московского физтеха, Ярослав Уржумов уверен в успехе.
Новые системы необычного управления магнитными силами в электромагнитных полях смогут работать и в других областях, как то: крохотные оптические пинцеты для удерживания атомов, или новейшее электромагнитное оружие. Сюда же могут быть отнесены и системы технологии WiTricity, служащие для беспроводной передачи энергии посредством сильного пульсирующего магнитного поля, которые совершенно безвредны как для людей, так и для животных.
В соответствии с моделями Ярослава, группа экспериментаторов Бостонского колледжа (Бостон, штат Массачусетс, США) создает прототип такого метаматериала, можно сказать, магнитного усилителя.
Что касается беспроводной передачи посредством магнитных полей, то совсем недавно, совместно с институтом «Тойота», группа Ярослава Уржумова продемонстрировала весьма практичную передачу электроэнергии на расстояние посредством низкочастотных магнитных полей.
Для повышения эффективности передачи, ученые соорудили квадратную суперлинзу, которая помещалась между передатчиком и приемником. Квадратная линза состояла из множества кубиков, покрытых спиралевидными проводниками. Полученные конструкции, обладающие свойством метаматериала, взаимодействуя с магнитными полями, передавали энергию в узком конусе с максимальной интенсивностью.
По одну сторону от суперлинзы помещалась катушка – передатчик, по которой пропускался переменный ток, создававший переменное магнитное поле. Это магнитное поле, как и положено, снижало свою интенсивность пропорционально квадрату расстояния о тпередатчика, однако благодаря суперлинзе, передатчик, расположенный по другую сторону от нее, принимал достаточное количество энергии даже на расстоянии 30 см. Без применения промежуточной линзы, расстояние передачи не превышало 7,6 см.
Ученый рассказал, что такая беспроводная передача при помощи метаматериалов уже проводилась в лаборатории Mitsubishi Electric, но только на дистанцию, не превышающую размеры передатчика. Теперь же, с применением именно магнитных полей, достигается высокая безопасность и эффективность. Магнитные поля не сильно поглощаются большинством материалов, к тому же магнитные поля индукцией до 3 Тл безопасны, и уже используются в томографии.
В перспективе на этой основе возможно создание беспроводных зарядных мини-устройств для электронных гаджетов. Суперлинзы будут фокусировать магнитные поля для зарядки конкретного устройства, причем параметры линз смогут меняться, и фокус будет перемещаться в пространстве, например, следуя за смартфоном, который его владелец носит по комнате, постоянно меняя местоположение.
Увеличение мощности магнита
Чтобы понять, как увеличить силу магнита, нужно разобраться в процессе намагничивания. Это произойдет, если магнит расположить во внешнем магнитном поле противоположной стороной к исходной. Увеличение же мощности электромагнита происходит тогда, когда увеличивается подача тока или умножаются витки обмотки.
Увеличить силу магнита можно с помощью стандартного набора необходимого оборудования: клея, набора магнитов (нужны именно постоянные), источника тока и изолированного провода. Они понадобятся для осуществления тех способов увеличения силы магнита, которые представлены ниже.
Усиление с помощью более мощного магнита
Этот способ заключается в использовании более мощного магнита для усиления исходного. Для осуществления надо поместить один магнит во внешнее магнитное поле другого, обладающего большей мощностью. Также с этой же целью применяют электромагниты. После удержания магнита в поле другого, произойдет усиление, но специфика заключается в непредсказуемости результатов, поскольку для каждого элемента такая процедура будет работать индивидуально.
Усиление с помощью добавления других магнитов
Известно, что каждый магнит имеет два полюса, причем каждый притягивает противоположный знак других магнитов, а соответствующий – не притягивает, лишь отталкивает. Как увеличить мощность магнита, используя клей и дополнительные магниты. Здесь предполагается добавление других магнитов с целью увеличения итоговой мощности. Ведь, чем больше магнитов, тем, соответственно, будет больше сила. Единственное, что нужно учесть, — это присоединение магнитов одноименными полюсами. В процессе они будут отталкиваться, согласно законам физики. Но задача состоит в склеивании, несмотря на сложности в физическом плане. Лучше использовать клей, который предназначен для склеивания металлов.
Метод усиления с использованием точки Кюри
В науке есть понятие точки Кюри. Усиление или ослабление магнита можно произвести, нагревая или охлаждая его относительно самой этой точки. Так, нагревание выше точки Кюри или сильное охлаждение (гораздо ниже нее) приведет к размагничиванию.
Надо заметить, что свойства магнита при нагревании и охлаждении относительно точки Кюри имеют скачкообразное свойство, то есть, добившись правильной температуры можно усилить его мощность.
Метод №1
Если возник вопрос, как сделать магнит сильнее, если его сила регулируется электрическим током, то сделать это можно с помощью увеличения тока, который подается на обмотку. Здесь идет пропорциональное увеличение мощности электромагнита и подачи тока. Главное, ⸺ постепенная подача, чтобы не допустить перегорания.
Метод №2
Для осуществления этого метода надо увеличить количество витков, но длина должна оставаться неизменной. То есть, можно сделать один-два дополнительных ряда провода, чтобы общее количество витков стало больше.
В этом разделе рассмотрены способы, как увеличить силу магнита в домашних условиях, для экспериментов можно заказать на сайте МирМагнитов .
Усиление обычного магнита
Множество вопросов возникает, когда обычные магниты перестают выполнять свои прямые функции. Это часто происходит из-за того, что бытовые магниты таковыми не являются, ведь, по сути, они намагниченные металлические части, которые теряют свойства с течением времени. Усилить мощность таких деталей или вернуть им свойства, которые были изначально, невозможно.
Надо заметить, что прикреплять к ним магниты, даже более мощные, не имеет смысла, поскольку, при их соединении обратными полюсами, внешнее поле становится гораздо слабее или вообще нейтрализуется.
Это можно проверить с помощью обычной бытовой занавески-москитки, которая должна закрываться посередине при помощи магнитов. Если на слабые исходные магниты сверху прикрепить более мощные, то в результате штора вообще потеряет свойства соединения с помощью притяжения, потому что противоположные полюса нейтрализуют внешние поля друг друга на каждой из сторон.
Эксперименты с неодимовыми магнитами
Неомагнит довольно популярен, его состав: неодим, бор, железо. Такой магнит обладает высокой мощностью и отличается стойкостью к размагничиванию.
Как усилить неодим? Неодим очень подвержен коррозии, то есть быстро ржавеет, поэтому неодимовые магниты покрывают никелем, чтобы повысить срок службы. Также они напоминают керамику, их легко разбить или расколоть.
Но пытаться увеличивать его мощность искусственным способом нет смысла, потому что это постоянный магнит, он имеет определенный для себя уровень силы. Поэтому, если вам необходимо иметь более мощный неодим, лучше приобрести его, учитывая нужную силу нового.
Заключение: в статье рассмотрена тема, как увеличить силу магнита, в том числе, как увеличить мощность неодимового магнита. Получается, что существует несколько способов увеличить свойства магнита. Потому что бывает просто намагниченный металл, увеличить силу которого невозможно.
Наиболее простые способы: с помощью клея и других магнитиков (они должны быть приклеены идентичными полюсами), а также – более мощного, во внешнем поле которого должен находится исходный магнит.
Рассмотрены способы увеличения силы электромагнита, которые заключаются в дополнительной обмотке проводами или усилении поступления тока. Единственное, что нужно учитывать — это силу поступления тока в целях безопасности и сохранности аппарата.
Обычные и неодимовые магниты не способны поддаваться на увеличение собственной мощности.
Как усилить магнит в домашних условиях
Чтобы понять, как усилить магнит в домашних условиях, и можно ли это сделать вообще, необходимо вникнуть в природу подобных изделий и разобраться с их свойствами. Начнем с намагничивания. Если один магнит разместить в области воздействия внешнего магнитного поля той стороной, которая противоположна к исходной, его магнитные свойства станут сильнее. Это актуально в случаях, когда продукт размагнитился в силу ряда объективных причин. Что касается электромагнита, то его мощность станет выше, если увеличить число витков в обмотке либо усилить подаваемый на нее ток.
Как усилить магнит?
Можно ли усилить магнит и реально ли это сделать дома, самостоятельно, с помощью одних только подручных средств? Ответ на данный вопрос утвердителен – достичь поставленной цели легко с помощью пары постоянных магнитов, источника переменного тока, клеящего состава, а также двух проводов, покрытых слоем изоляции. Существует несколько алгоритмов действий в подобной ситуации, их мы опишем несколькими абзацами ниже.
Как усилить свойства магнита с привлечением более мощной модели
Чтобы улучшить мощностные характеристики постоянного магнита, нужно использовать более мощную модель изделия. Надо отметить нуждающийся в усилении магнит во внешнее магнитное поле магнита, который мощнее, и оставить его так на 10-15 минут. Усиление свойств неизбежно, но следует помнить о том, что результат будет непредсказуемым – никто не сможет точно сказать, как сильно увеличится мощность исходной модели.
Как усилить действие магнита путем добавления ему подобных
У каждого постоянного магнита есть два полюса, и если поместить два магнита рядом друг с другом одинаковыми полюсами, они начнут отталкиваться, тогда как полюса противоположные будут притягиваться. Используя данное свойство магнитной продукции, легко усилить нуждающийся в этом магнит, но для этого следует заранее подготовить клей и несколько дополнительных магнитиков. Причем, чем больше таких магнитиков будет, тем выше окажется мощность итогового продукта.
Важно, чтобы соединялись изделия одинаковыми полюсами, которые, следуя законам физики, будут отталкиваться, а значит, для их склеивания придется приложить определенные усилия. Идеальным решением станет надежный клеящий состав, предназначенный для соединения металлов.
Точка Кюри и ее роль в усилении магнитной продукции
Человек, разбирающийся в магнитах, знаком с понятием точки Кюри. Это температурный показатель, при достижении которого магнит утрачивает магнитные качества, превращается в кусок металла. Точка Кюри для каждого типа постоянных магнитов своя, например, когда речь идет об изделиях из неодима, она находится на уровне +80 градусов Цельсия. Зная это правило, можно усилить магнит, ведь свойства подобных продуктов при нагревании и охлаждении изменяются скачкоподобно. Вычислив правильную температуру, а затем нагрев изделие до достижения требуемого показателя, можно увеличить его мощность, но как и при использовании вышеописанного способа, результат будет непредсказуем.
Алгоритм действий. Вариант 1
Если сила постоянного магнита поддается регулировке электротоком, увеличить его мощность несложно, для этого потребуется повысить поступающий на обмотку ток. Мощность станет расти пропорционально силе подаваемого тока, но важно не довести дело до перегорания.
Алгоритм действий. Вариант 2
Метод состоит в добавлении на обмотку витков, однако и здесь есть важный нюанс – общая ее длина должна оставаться неизменной. Это значит, что можно добавить 2-3 ряда проводов, но уменьшить диаметр обмотки.
Самостоятельное создание электромагнитного поля
Для усиления магнита подручными способами нужно создать электромагнитное поле. Понадобится источник тока и изолированные провода, которые нужно намотать на катушку. Внутри следует оставить место, чтобы установить разряженный и нуждающийся в усилении магнит.
Чем меньше диаметр витков, тем больше сила электромагнитного поля, этот факт нужно учитывать, прогнозируя получаемую в итоге мощность. После завершения укладки витков провод надо подключить к источнику питания, функции которого может выполнять аккумулятор и даже обычная батарейка. Для зарядки магнита достаточно 10-15 минут. Его помещают внутрь катушки и оставляют там на указанное время – до частичного восстановлении заявленных свойств. Узнать, принесли ли усилия требуемый результат, можно путем использования магнитомера.
Как усилить неодимовый магнит
Магниты из неодима мощны, отличаются продолжительным сроком службы, а потому надежны и популярны. К тому же они устойчивы перед размагничиванием, но в ряде случаев нуждаются в усилении. Важно помнить, что металл, из которого продукция изготовлена, подвержен коррозии, он быстро ржавеет. Чтобы ржавчина не покрыла предмет раньше времени, на него наносят слой никеля.
Физические свойства материала таковы, что увеличить его мощность невозможно, поэтому если возникла необходимость в применении неодимового магнита большей мощности, не стоит экспериментировать – лучше сразу приобрести изделия с требуемыми характеристиками.
Устройство и принцип работы трансформаторов
Трансформатор преобразует напряжение с помощью взаимоиндукции. И по сути эта делать простая, но очень эффективная. Это происходит благодаря переменному магнитному полю, которая связывает несколько катушек друг с другом. Трансформатор преобразует только переменные и импульсные токи.
Как работает трансформатор
Трансформатор работает за счет взаимоиндукции. Для начала разберем, что такое индукция.
Что такое индукция
Если по проводу пустить электрический ток, то возникнет магнитное поле. 
Магнитное поле — неотъемлемая часть электрического. И в магнитном поле сохраняется энергия электрического.
У постоянных магнитов наличие магнитного поля объясняется направлением «доменов в одну сторону». Т.е. у каждого отдельно взятого атома есть свое маленькое магнитное поле. У постоянных магнитов эти маленькие магнитные поля направлены в одну сторону. Поэтому у постоянного магнита такое сильное магнитное поле.
И другие материалы можно намагнитить, т.е. сделать так, чтобы магнитные поля были направлены в одну сторону. Так получится «искусственно созданный» магнит.
Кстати, среди ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Таким отвертками удобно пользоваться, поскольку маленькие болтики и винтики останутся на отвертке и не упадут в случае неосторожного движения. 
А индуктивность — это способность материала накапливать магнитное поле, когда по этому материалу течет электрический ток.
Чем больше материал может создать магнитное поле, тем выше его индуктивность.
Магнитное поле можно увеличить, если сделать катушку.
Достаточно взять проволоку, намотать ее на каркас. И магнитные поля витков будут складываться. 
Это и есть катушка индуктивности.
Если мы подаем на катушку постоянный ток, то и магнитное поле будет постоянным. Оно не будет меняться. А что если отключить катушку от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Так как ток уменьшается, то магнитное поле больше нечем поддерживать. И вся так энергия, которая была в магнитном поле, переходит в электрическую.
Изменение магнитного поля создает электрическое поле.
Увеличение индуктивности сердечником
А как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметром провода? На индуктивность еще влияет окружающая среда. Воздух — не самый лучший материал для накопления или передачи магнитного поля. У него низкая магнитная проницаемость. Тем более, при изменении плотности и температуры воздуха, это значение меняется. Поэтому, для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относят железо, никель, кобальт и др.
Если сделать сердечник в центре катушки из таких материалов, то можно многократно повысить индуктивность катушки.
Из ферромагнетиков делают сердечники (магнитопроводы). В основном используют электротехническую сталь, которую специально делают для этих целей.
Кстати, теперь намного проще регулировать индуктивность с сердечником. Достаточно плавно передвигать сердечник внутри катушки, и индуктивность будет плавно меняться. Это удобнее, чем двигать витки друг от друга.
Взаимоиндукция и принцип передачи тока
Раз можно накопить энергию в катушке за счет магнитного поля, то можно передать эту энергию в другую катушку.
Допустим, есть две одинаковые катушки индуктивности. Одна подключена к питанию, другая нет.
При подключении питания, у первой катушки возникнет магнитное поле. И если приблизить вторую катушку к первой, у второй катушки индуцируется ЭДС за счет магнитного поля первой.
Но ЭДС второй катушки будет не долгим явлением. Если на первую катушку подается постоянное напряжение, то и магнитное поле будет постоянным.
А электрический ток возникает только при переменном магнитное поле. Поэтому, ток во второй катушке сразу исчезнет, как только стабилизируется магнитное поле.
Если поменяем полярность на первой катушке, то и изменится ее магнитное поле. А это значит, что оно будет изменяться и во второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но не надолго. 
Чтобы непрерывно можно было передать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле проницая проводник создает в нем переменный наведенный ток.
Такое явление называют взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи можно передать в другую используя электромагнитное поле.
Многие путают электромагнитную индукцию и взаимоиндукцию. Но это разные явления, хоть и принцип действия во многом схож.
Кроме переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное выполнять правило — ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле. 
Кстати, когда работают блоки питания и светильники, издаваемый гул от них — это звук от катушек или их сердечников. Это из-за индукции. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично сдвигает витки и сердечники, отсюда и появляется тот самый звон. Это касается и электродвигателей. Поэтому такие детали заливают смолой или компаундом, чтобы уменьшить издаваемый звук.
Устройство трансформатора
А если катушки будут разными? Тогда можно преобразовать напряжение из одной величины в другую. Так и работает трансформатор. Трансформатор преобразует напряжение с первичной обмотки в напряжение другой величины на вторичной обмотке.
Трансформатор работает только с переменным, импульсным или любым другим током, у которого изменяется значение со временем.
Трансформатор преобразует ток и напряжение, но он не позволяет увеличить мощность. Даже наоборот, из-за нагрева он немного забирает мощность. И не смотря на это, его КПД может доходить вплоть до 99%.
Классический трансформатор
Разберем устройство классического трансформатора.
Основная его функция — это снижение или повышение напряжения для блока питания. Работает за счет сетевого напряжения и низкой частоты (от 50 Гц). Частота переменного тока важна для расчетов.
Классический трансформатор состоит из первичной и вторичной обмотки, а также сердечника (магнитопровода). 
На первичную обмотку подается то напряжение, которое нужно преобразовать. А со вторичной обмотки снимают то напряжение, которое получилось за счет взаимоиндукции. Сердечник увеличивает магнитный поток.
Как же происходит преобразование? Все просто. Можно рассчитать индуктивность первичной и вторичной обмотки. Если нужно низкое напряжение, то вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная. Раз первичная работает за счет сетевого напряжения, то и рассчитывается на 220 В с небольшим запасом из-за колебаний сети.
Напряжение на вторичной обмотке сдвинуто по фазе относительно первичной. Это связано с явлением взаимоиндукции. На графике показана примерная разница по синусоиде.
Трансформаторы могут быть источниками фазовых искажений. Они изменяют сигналы по фазе из-за индуктивности, как показано на графике выше.
На принципиальных схемах классический трансформатор обозначается двумя катушками с сердечником.
Соответственно, если у трансформатора несколько вторичных обмоток, то и количество катушек на схеме будет другим.
Количество обмоток на трансформаторе может быть любым. Могут быть и несколько первичных и вторичных обмоток. А еще есть трансформаторы с общей точкой для двуполярного питания.
Кстати, если вы думаете, что у трансформатора нет сторон, как у диодов или транзисторов, то вы ошибаетесь. У трансформатора тоже есть начало обмотки и конец обмотки. На принципиальных схемах обозначение начала обмотки обозначается точкой и цифрами.
Зачем это надо? Дело в том, что магнитная индукция имеет свое направление, и на этом заложен весь принцип работы схемы. Если подключить обмотку не так, как показано на схеме, то вся схема перестанет работать как изначально задумывалось. Еще как пример можно привести трёхфазные электродвигатели. У них и вовсе для правильной работы важно знать начало и конец обмотки.
Коэффициент трансформации
У трансформаторов есть такое понятие, как коэффициент трансформации. Это отношение его входных и выходных характеристик (отношение количества витков первичной обмотки к вторичной).
Например, если трансформатор понижающий, с 220 В до 12 В, то его коэффициент больше единицы, то есть К<1. А если понижающий, то наоборот К>1. У разделительного коэффициент равен 1.
От чего зависит мощность трансформатора
При расчете учитываются следующие параметры:
- Размеры магнитопровода (сердечника);
- Количество витков;
- Сечение провода;
- Количество обмоток;
- Частота работы.
И все эти значения меняются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.
Типы классических трансформаторов
Классические трансформаторы по типу магнитопровода и расположению катушек разделяются на три основных вида:
Броневые чаще всего состоят из Е-пластин (или Ш, как многие называют), которые изолируются друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены внутри сердечника как под броней. Поэтому они так и называются.
А еще сердечник может быть ленточным, но расположение катушек от этого не меняется.
Однако в плане эффективности преобразования мощности — это не самый лучший вариант. Магнитный поток получается неравномерным. Да и броневой трансформатор более уязвим к наводкам и помехам извне. Но зато у такого типа есть неоспоримое преимущество. Катушка наматывается достаточно просто, а сборка магнитопровода не составляет особого труда.
Такие трансформаторы чаще всего применяются в мелкогабаритной бытовой технике. Например, их можно часто встретить в мощных звуковых колонках от компьютеров. 
Стержневые отличаются особенностями расположения катушек и конструкцией магнитопровода. Такой тип трансформаторов еще называют П-образным. Это связано с тем, что конструктивно сердечник такого трансформатора ленточный, и он собирается из узкой ленты электротехнической стали. И чтобы установить катушки в сердечник, его делают из двух форм в виде буквы П.
После установки двух катушек на первую часть сердечника, вторая часть замыкает ее при окончательной сборке.
Этот тип противоположность броневому. У такого трансформатора обмотки находятся снаружи, а у броневого наоборот, внутри.
Тороидальные трансформаторы являются самыми эффективными, и в тоже время самыми сложными в изготовлении. Сложности изготовления заключаются в том, что сердечник имеет форму тора. Он замкнут, и поместить катушки в сердечник так просто как в стержневых и броневых не получится. 
Можно и разъединить трансформаторное железо на две полукруглые части (как П-образный трансформатор), но обмотку не получится намотать. Она будет не такая плотная и ровная.
Поэтому наматывают витки сразу на сердечник. А это намного дольше, да и автоматизировать такой процесс сложнее. Соответственно, и цена на такой трансформатор будет выше.
Режимы работы трансформаторов
Есть три основных режима:
1. Режим холостого хода. Первичная обмотка подключена к сети, но вторичная обмотка не подключена к нагрузке. 
2. Режим нагрузки. Это рабочий режим. Первичная обмотка преобразует сетевое напряжение, а вторичная принимает его и подает в нагрузку. 
3. Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка находится в коротком замыкании. Это аварийный режим для большинства трансформаторов. В этой ситуации он может быстро нагреться и выйти из строя. 
Все режимы и их критические параметры также зависят и от типа трансформатора. Например, для трансформатора тока, холостой режим является аварийным.
Импульсные трансформаторы
У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов — это компактность. Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше.
Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать. Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках и зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.
Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это касается TFT мониторов.
Отличия импульсных трансформаторов от классических
Тезисно можно выделить несколько различий:
- Частота работы;
- Состав сердечника;
- Размеры;
- Схема работы;
- Стоимость.
А еще, как правило, у импульсных трансформаторов больше обмоток, чем у классических.
Почему сердечник не делают сплошным
Сердечники (магнитопроводы) делают из железных пластин потому, что во время работы появляются токи Фуко. Их называют еще вихревыми токами. Эти токи появляются от наводок обмоток в сердечнике. В итоге сердечник может перегреться, и даже расплавить катушки.
Поэтому, для трансформаторов низкой частоты делают сердечники из изолированных друг от друга пластин.
Пластины могут быть покрыты лаком, или изолированы бумагой между собой. Это уменьшает короткие замыкания в пластинах.
Что делает трансформатор
У трансформатора много полезных и важных функций:
- Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.
- Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.
- Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.
- Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).
Это название неспроста, так как такой трансформатор выполняет функцию строчной развертки. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.
- Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.
Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует сопротивление и понижает напряжение для щадящей работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление всего несколько десятков Ом.
- Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что-то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.
Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.
- Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.
Вопросы об устройстве трансформатора
-Почему зазор между катушками делается минимальным?
Это делается для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор будет большим — то и эффективность трансформатора будет низкая.
-А можно ли сделать трансформатор без сердечника аналогичный мощности с сердечником?
Да, но тогда придется увеличивать количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, с сердечником у обмоток витки могут быть по несколько тысяч. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. И количество витков будет по несколько десяток тысяч. Это не только увеличивает размеры катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает шансы перегрева.
-Можно ли подключить понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, который понижает сетевое напряжение с 220 В в 12 В, то его можно подключить как повышающий. То есть, вы можете подать на него переменное напряжение 12 В на вторичную обмотку и получить повышенное на первичной 220 В.
-А что будет, если на вторичную обмотку понижающего трансфоратора подать сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Её сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения. 
-Можно ли сделать трансформатор самостоятельно своими руками в домашних условия?
Да, это вполне реально. И многие радиолюбители и электронщики этим занимаются. А некоторые еще и зарабатывают. продавая готовую продукцию. Но стоит помнить о том, что это долгий, сложный и не простой труд. Нужны качественные материалы. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы. 
Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод будет с плохой изоляцией, то возможно межвитковое замыкание, которое неминуемо приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, которые доступны в сети. 
Далее, это долгие часы сборки. Особенно если вы решили намотать тороидальные трансформатор.
Нужно плотно и равномерно наматывать витки, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.
-Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор рассчитывался изначально с сердечником, то и преобразовать полностью напряжение он не сможет. То есть, на вторичке что-то будет, но явно не те параметры. Да и если подключите нагрузку к обмоткам без сердечника, они быстро нагреются и сгорят.
Неисправности трансформаторов
К основным неисправностям трансформаторов можно отнести:
- Коррозия и наличие ржавчины на сердечнике;
- Перегрев и нарушение изоляции;
- Межвитковое короткое замыкание;
- Деформация корпуса, обмоток и сердечника
- Попадание воды в обмотку.
Как проверить на целостность
Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите прибор в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.
Они не должны быть в обрыве, никогда. Если нигде обрывов нет, то можно найти первичную и вторичную обмотки при помощи измерения сопротивления. У первичной обмотки понижающего трансформатора сопротивление будет выше, чем у вторичной. Это все из-за количества витков. Чем больше витков и чем меньше диаметр провода — тем больше сопротивление обмотки.
Так же вы можете найти паспорт на свой трансформатор. В нем указываются сопротивления обмоток, и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.
Безопасная проверка работы трансформатора
Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, то обязательно подключайте лампочку в разрыв цепи (последовательно!). Если что-то не так произойдет то, лампочка загорится и заберет ток на себя и сможет спасти неисправный трансформатор.
Трансформаторы много где используются. Их конструкция разная и для каждой задачи она по-своему уникальна.
Интересные факты про трансформаторы
Трансформатор — это самый эффективный преобразователь. Его КПД (коэффициент полезного действия) может доходить до 99% (силовые трансформаторы). А вот у ДВС (двигатель внутреннего сгорания), КПД обычно не выше 30%.
Самый эффективный, но в тоже время и самый сложный в изготовлении — это тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитопроводу. Это усложняет процесс изготовления, особенно в промышленных масштабах.