Явление электромагнитной индукции

В 1821 г. Майкл Фарадей начал заниматься электрическими и магнитными явлениями. Он считал очевидным, что если ток в проводе создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, если проводник с током движется в магнитном поле, то должно быть верно и обратное – магнитное поле должно создавать ток в проводнике. В течение многих лет Фарадею не удавалось доказать это экспериментально, так как он не понимал, что для возникновения тока важно относительное движение магнита и провода. Однажды почти случайно он заметил, что в момент вхождения магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется. Так был открыт закон электромагнитной индукции. На окончательную его формулировку (1831 г.) потребовалось десять лет напряженных исследований.

Это явление легло в основу действия электрического трансформатора.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1836 г. ирландский физик Николас Каллан (1799—1864 гг.) изобрел индукционную катушку. Основываясь на результатах двух предыдущих открытий, Nicolas Joseph Callan первым продемонстрировал передачу и получение электроэнергии без использования проводов.

Его аппарат состоял из двух изолированных колец, обмотанных металлической проволокой (катушек), в центр которых был помещен металлический стержень. Батарея, периодически подключаемая к первой катушке, индуцировала возникновение электрического напряжения во второй и вызывала тем самым появление искры.

Катушка Румкорфа 

В 1838 г. это изобретение повторил американский изобретатель Чарлз Пейдж, по наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803—1877), именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку,   которая сыграла огромную роль в истории техники. Она явилась прообразом трансформатора.

Она состоит из цилиндрической части, с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании — прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании обратного.

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Трансформатор Блажи, Дери и Циперновски

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Он состоял из набранных стальных полос, разделенных между собой изоляционным материалом. На сердечнике установили поочередно «повышающие» и «понижающие» катушки. Однако для передачи электрической энергии переменного тока высокого напряжения было необходимо дальнейшее усовершенствование системы.

Это произошло в 1885 г. Венгерские электротехники Блажи, Дери и Циперновски предложили сразу несколько модификаций устройства – кольцевую, броневую и стержневую.

Авторы решения также ввели в обиход термин «трансформатор». Изобретение уже было оснащено основными элементами, присущими современным однофазным трансформаторам. Так, изобретатели в своей патентной заявке обращали особое внимание комиссии на замкнутый шихтованный сердечник, имевший особое значение для мощных силовых трансформаторов. Кроме того, в результате экспериментов с материалами инженеры нашли оптимальное соотношение меди и  стали в конструкции трансформатора. Эту систему принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В.

Электрическая система Доливо-Добровольский

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. В 1889 году Доливо-Добровольский построил электрическую систему, предназначенную для передачи трёхфазного переменного тока напряжением 8500 В, мощностью 220 кВт на расстояние 175 км. Он построил её всего за один год. В этом же году М. О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор.  Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода.

На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока на расстояние 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.