Обмотки трансформатора не соединены между собой. Объясните, каким образом осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную.

Трансформатор — это устройство, которое используется для увеличения или уменьшения напряжения переменного тока. Основные компоненты трансформатора включают в себя два электрически изолированные обмотки — первичную и вторичную, которые намотаны на общий магнитный сердечник, обычно из ферромагнитного материала.

Передача энергии в трансформаторе осуществляется за счёт явления электромагнитной индукции, открытому Майклом Фарадеем. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Когда переменное напряжение подаётся на первичную обмотку трансформатора, через неё начинает протекать переменный ток. Переменный ток, протекающий через витки первичной обмотки, создаёт переменное магнитное поле в сердечнике трансформатора. Это переменное магнитное поле, в свою очередь, пронизывает витки вторичной обмотки, индуцируя в ней переменную электродвижущую силу (ЭДС) по закону Фарадея.

Суть закона Фарадея состоит в следующем: ЭДС индуцируется в контуре тогда, когда магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, изменяется. Это можно математически выразить следующим образом:

$$ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt} $$

где:
− $\mathcal{E}$ — электродвижущая сила;
− $\Phi$ — магнитный поток;
− $t$ — время;
− знак минус указывает на направление индуцированной ЭДС согласно правилу Ленца.

Магнитный поток $\Phi$ определяется как произведение магнитной индукции $B$ на площадь $A$ и косинус угла между направлением магнитного поля и нормалью к площади:

$$ \Phi = B \cdot A \cdot \cos(\theta) $$

В трансформаторе магнитный поток создаётся переменным током в первичной обмотке и замыкается через сердечник, влияя на витки вторичной обмотки. В результате во вторичной обмотке появляется переменное напряжение.

Для идеального трансформатора (без потерь) можно использовать основное уравнение трансформатора в следующем виде:

$$ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} $$

где:
− $U_1$ — напряжение на первичной обмотке;
− $U_2$ — напряжение на вторичной обмотке;
− $N_1$ — число витков первичной обмотки;
− $N_2$ — число витков вторичной обмотки.

Из этого уравнения следует, что напряжение на обмотках трансформатора пропорционально числу витков в каждой обмотке.

Важно отметить, что, хотя обмотки трансформатора электрически не соединены между собой, энергия передаётся за счёт магнитного поля в сердечнике. Это обеспечивает гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями, что является одним из преимуществ использования трансформаторов в электроэнергетических системах.

Таким образом, процесс передачи энергии в трансформаторе можно резюмировать следующим образом: переменный ток в первичной обмотке создаёт переменное магнитное поле в сердечнике, которое индуцирует переменное напряжение во вторичной обмотке согласно закону электромагнитной индукции.