11. Sınıf Fizik · Ünite 2
Transformatörler: Elektriğin Şekil Değiştiren Kahramanları
Transformatörlerin yapısını, çalışma prensibini ve elektrik enerjisinin taşınmasındaki kritik rolünü keşfediyoruz.
Kazanım FİZ.11.2.13 · 40 dk okuma
Elektriğin Uzun Yolculuğu
Cep telefonumuzu şarj ederken veya odamızın lambasını yakarken kullandığımız elektrik enerjisi, bize ulaşana kadar yüzlerce kilometre yol kat eder. Bu uzun yolculuk sırasında elektriğin gücünü koruması ve evimizdeki hassas cihazlara zarar vermeyecek seviyeye inmesi gerekir. İşte elektriğin özelliklerini ihtiyacımıza göre değiştiren bu muazzam araçlara 'transformatör' (kısaca trafo) diyoruz.
Transformatörün Yapısı ve Çalışma Prensibi
Transformatörler, elektrik enerjisinin gerilim (voltaj) ve akım değerlerini değiştirmeye yarayan elektromanyetik aletlerdir. Temel yapıları oldukça basittir: Ortada demir veya benzeri manyetik bir çekirdek ve bu çekirdeğin iki farklı koluna sarılmış yalıtkan iletken tellerden (bobinlerden) oluşurlar. Akımın girdiği sargıya 'primer' (birincil), çıktığı sargıya ise 'sekonder' (ikincil) adı verilir.
İdeal Transformatör Denklemi
Bir transformatörün gerilimi nasıl değiştireceği, doğrudan bobinlerdeki sarım sayılarına bağlıdır. Primer sarım sayısı (Np), sekonder sarım sayısından (Ns) küçükse çıkıştaki gerilim artar (Yükseltici Transformatör). Eğer Np büyük, Ns küçükse çıkış gerilimi azalır (Alçaltıcı Transformatör). Bu ilişki aşağıdaki oranlarla ifade edilir:
Önemli bir kural: İdeal bir transformatör enerji veya güç üretmez. Primerden verilen güç, sekonderden alınan güce eşittir. Gerilim yükseldiğinde akım azalmak zorundadır ki toplam güç sabit kalsın. (Güç = Gerilim x Akım)
Günlük Hayattaki Kullanım Alanları
- Elektrik Santralleri ve İletim Hatları: Barajlarda üretilen elektrik enerjisi, uzak mesafelere iletilirken kablolardaki sürtünmeden (dirençten) kaynaklı ısı kaybını en aza indirmek için akım düşürülmelidir. Akımı düşürmek için santral çıkışındaki yükseltici transformatörler sayesinde gerilim yüz binlerce volta çıkarılır.
- Şehir İçi Dağıtım: Şehre ulaşan yüksek gerilimli elektrik, mahallemizdeki alçaltıcı trafolar sayesinde evlerimizde kullanabileceğimiz 220 Volt seviyesine güvenle indirilir.
- Şarj Cihazları ve Adaptörler: Prizdeki 220 Volt, bir cep telefonu için hala çok yüksektir. Şarj aletlerimizin içindeki mini alçaltıcı transformatörler bu gerilimi 5V - 20V gibi seviyelere düşürür.
Transformatörler: Elektriğin Şekil Değiştiren Kahramanları: Alıştırma Soruları
1. Elektromanyetik indüksiyon prensibiyle çalışan transformatörler için aşağıdaki ifadelerden hangisi kesinlikle doğrudur?
- A) Sadece doğru akım (DC) ile çalışırlar.
- B) Hem doğru akım (DC) hem de alternatif akım (AC) ile çalışabilirler.
- C) Sadece alternatif akım (AC) ile çalışırlar.
- D) Çalışmak için elektriksel temas gerektirirler.
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Sadece alternatif akım (AC) ile çalışırlar.
Transformatörlerin çalışması için primer bobinde manyetik akının sürekli değişmesi gerekir. Bu değişim ancak şiddeti ve yönü sürekli değişen alternatif akım (AC) ile sağlanabilir.
2. Bir transformatörün primer sarım sayısı 1000, sekonder sarım sayısı ise 100'dür. Bu transformatörün temel görevi aşağıdakilerden hangisidir?
- A) Gerilimi alçaltmak
- B) Gerilimi yükseltmek
- C) Doğru akımı alternatif akıma çevirmek
- D) Toplam gücü artırmak
Cevabı göster
Doğru cevap: A) Gerilimi alçaltmak
Primer sarım sayısı (1000), sekonder sarım sayısından (100) büyük olduğu için çıkış gerilimi giriş geriliminden küçük olacaktır. Bu nedenle bu cihaz bir gerilim alçaltıcı transformatördür.
3. Elektrik santrallerinde üretilen enerji, şehirlere taşınmadan önce yükseltici transformatörler kullanılarak gerilimi yüz binlerce volta çıkarılır. Bu işlemin temel bilimsel nedeni aşağıdakilerden hangisidir?
- A) Elektrik akımının iletim hızını artırarak şehirlere daha çabuk ulaşmasını sağlamak.
- B) İletim hatlarındaki akımı düşürerek tellerdeki ısı enerjisi kaybını en aza indirmek.
- C) Alternatif akımı daha kararlı bir doğru akıma dönüştürmek.
- D) Santralde üretilen toplam elektrik gücünü artırmak.
Cevabı göster
Doğru cevap: B) İletim hatlarındaki akımı düşürerek tellerdeki ısı enerjisi kaybını en aza indirmek.
Güç (P = V x I) sabit kabul edildiğinde, gerilimin (V) çok yüksek değerlere çıkarılması hat üzerinden geçen akımın (I) çok küçük olmasını sağlar. Akımın küçük olması, iletim hatlarında ısıya dönüşen enerji kaybını büyük ölçüde azaltır.
4. İdeal bir transformatörün primer (giriş) bobinindeki sarım sayısı 440, sekonder (çıkış) bobinindeki sarım sayısı ise 20'dir. Primer bobine 220 Volt alternatif gerilim uygulandığında sekonder bobinden kaç Volt gerilim elde edilir?
- A) 5 Volt
- B) 10 Volt
- C) 20 Volt
- D) 4840 Volt
Cevabı göster
Doğru cevap: B) 10 Volt
Gerilimler oranı sarım sayıları oranına eşittir: Vp / Vs = Np / Ns. Yani 220 / Vs = 440 / 20. İşlemi çözersek 220 / Vs = 22 => Vs = 10 Volt bulunur.
5. İdeal bir transformatöre 50 Volt giriş gerilimi uygulandığında, primer bobinden 4 Amper akım geçmektedir. Transformatörün çıkışından (sekonder) 100 Volt gerilim elde edildiğine göre, sekonder bobinden çekilen akım kaç Amperdir?
- A) 2 Amper
- B) 4 Amper
- C) 8 Amper
- D) 10 Amper
Cevabı göster
Doğru cevap: A) 2 Amper
İdeal bir transformatörde giriş gücü çıkış gücüne eşittir (Pp = Ps). P = V x I denkleminden: 50 Volt x 4 Amper = 100 Volt x Is. Buradan 200 = 100 x Is => Is = 2 Amper olarak bulunur.