Почему гудит трансформатор?

В предыдущем посте я подробно описал принцип работы этого устройства, и зачем оно нужно. А сегодня разберем такое повседневное и привычное нам явление как странные звуки, исходящие из загадочной коробки со знаком молнии – трансформаторной будки.

Виной всему явление под названием магнитострикция – изменение размеров тела из ферромагнитного материала при его намагничивании. То есть звук исходит из сердечника, на который намотаны катушки. Каким образом, объясню ниже, но для начала рекомендую ознакомиться с достаточно сложным постом, в котором описана полная теория о магнитных свойствах веществ, который более простым языком, к сожалению, написать не получилось, но я потихоньку работаю над его упрощением.

Итак, ферромагнетики – это, по большей части, вещества с недостроенными d- и f-оболочками, атомы которых имеют нескомпенсированные электронные спины, а, значит, имеют спиновый магнитный момент и ведут себя, как маленькие магниты. Получается так, что электроны в ферромагнетиках выполняют две функции: с одной стороны, электростатически удерживают ионы кристаллической решетки в ее узлах, не давая ей развалиться т.е. участвуют в металлической связи, с другой стороны электронные облака соседних атомов взаимодействуют друг с другом в магнитном плане. Таким образом, в энергию кристалла дают вклад обе эти функции электрона. И природа распорядилась так, что энергия кристалла зависит от расстояния между атомами в нем, и при определенных значениях этого расстояния достигается ее минимум, к чему всегда кристалл и стремится.

Когда мы помещаем ферромагнетик в магнитное поле, т.е. намагничиваем его, магнитная составляющая энергии увеличивается, а, значит, и увеличивается энергия всего кристалла, которая перестает быть минимальной для того же самого межатомного расстояния. Логично догадаться, что будет хотеть сделать наш ферромагнетик – конечно, же увеличивать или уменьшать это расстояние до того момента, когда снова не достигнет минимальной энергии. В природе, ведь, все системы стремятся к энергетическому минимуму.

Таким образом, при намагничивании происходит изменение объема. Из-за особенностей строения электронных оболочек, одни вещества при намагничивании расширяются (например, железо), а другие (например, никель) – сужаются. Причем, происходит это неодинаково во всех направлениях. Наибольшее изменение размеров происходит, как раз, вдоль оси намагничивания, т.е. вдоль приложенного внешнего магнитного поля.

Вернемся к нашему трансформатору. На этом этапе, кто-то уже ответил на вопрос из заголовка.

При прохождении через катушку переменного тока, в ферромагнетике, на который она намотана, возникает переменное магнитное поле, которое его намагничивает. Мы же понимаем, что «переменный» ток в данном случае означает, текущий то в одну сторону, то в другую. У нас частота переменного тока составляет 50 Гц, т.е. он ходит «туда-сюда» 50 раз в секунду. Те же 50 раз в секунду в одну и в другую сторону намагничивается ферромагнетик, и каждое такое намагничивание железный сердечник претерпевает расширение и возвращение в свое исходное положение, т.е. совершает колебания. Внимательный читатель, наверное, мог догадаться, что колебания самого сердечника трансформатора происходят с частотой не 50, а 100 Гц, т.к. за период одного колебания тока и намагниченности происходит два цикла расширения кристалла и его возвращения назад. Ведь магнитострикции не важно, в какую сторону идет намагничивание, главное, что оно есть. Эти механические колебания сердечника передаются по воздуху и создают тот самый гул с частотой, которую способно слышать наше ухо. В анимации наглядно приведено соотношение колебаний тока, намагниченности и самого кристалла.

Теперь вы знаете, что тот самый гул – это колебания сердечника из-за магнитострикции, а также познакомились с механизмом его возникновения.