Zoals in het artikel over stroom, weerstand en spanning vermeld staat, wordt stroom getransporteerd van de energiecentrale naar je huis met behulp van verschillend grote spanningen. De spanning op de hoogspanningsleiding bijvoorbeeld bedraagt 50.000 volt, terwijl het stopcontact slechts 230 volt levert. En die 230 volt zouden dan weer veel te veel zijn om in één keer door je mobieltje heen te jagen bij het opladen. Om een spanning om te zetten in een hogere of lagere spanning, zonder al te veel energie te verliezen, wordt gebruik gemaakt van zogenaamde transformatoren.
De ene kant van zo'n transformator levert een bepaalde spanning (in het plaatje hierboven is dat het stopcontact) en aan de andere kant (de aansluiting van de laptop, bijvoorbeeld) levert de transformator een omlaaggetransformeerde uitgangsspanning. Om te zien hoe een transformator dat zo precies doet, moeten we eerst even kijken naar het principe van inductie.
Figuur 1: Verschillende transformatoren: de oplader van een mobieltje, de adapter van een laptop en een oude transformator voor een modelspoorbaan.
Inductie
Het principe van inductie is eigenlijk heel simpel: wanneer een elektrische geleider (zoals een stuk draad) zich in een veranderend magnetisch veld bevindt, gaat er in die geleider een stroom lopen. Dit principe werkt niet als het elektrische veld stilstaat. Pas als het elektrische veld beweegt (bijvoorbeeld doordat de magneet die het opwekt ronddraait), gaat er een stroom lopen. Volgens dit principe wordt er in je fietsdynamo stroom opgewekt door een draaiend magneetje.
Dit principe werkt ook andersom. Zoals je in dit artikel leest, wekt een elektrische stroom ook altijd zijn eigen magneetveld op, dat om de draad heen draait. Zie ook hier.
Figuur 2: het werkingsprincipe van de transformator. De rode pijlen geven de magnetische veldlijnen aan. De secundaire spoel heeft hier maar half zo veel windingen als de primaire. De uitgangsspanning is dus twee keer zo klein als de ingangsspanning, terwijl de stroomsterkte twee keer zo groot is.
In een transformator wordt mooi gebruik gemaakt van beide principes. Zoals je in figuur 2 ziet, loopt de stroom aan de primaire zijde (dat is dus de 'ingang') door een spoel met een bepaald aantal windingen om een stuk metaal (de kern) heen. De stroom door die spoel wekt een magnetisch veld op. De kern raakt daardoor zelf gemagnetiseerd en leidt zo de veldlijnen door een tweede spoel aan de secundaire zijde (de 'uitgang'). Door inductie wordt er in deze tweede spoel weer een stroom opgewekt. Op die manier wordt de stroom dus van de ingang naar de uitgang doorgegeven, zonder dat er een rechtstreekse elektrische verbinding is.
Wisselstroom
Zoals eerder al gezegd werd: stroom wordt alleen opgewekt door een veranderend magnetisch veld. Een transformator kan dus alleen werken met wisselstroom, oftewel stroom die voortdurend van richting wisselt (de stroom uit het stopcontact wisselt 50 keer per seconde van richting). Daardoor verandert het magnetische veld ook steeds van richting en blijft zo dus een stroom opwekken.
Maar hoe verandert de spanning dan? Dat is heel simpel: als het aantal windingen van de secundaire spoel kleiner is dan dat van de primaire spoel, is de spanning daar ook lager. Dat is ook logisch: door elke winding van de primaire spoel loopt dezelfde hoeveelheid stroom, zodat elke winding evenveel bijdraagt aan het magnetische veld. Hoe meer windingen, des te sterker is het magnetische veld. In de secundaire spoel wordt de energie van dat veld ‘verdeeld’ over minder windingen, zodat er in elke winding juist méér stroom opgewekt kan worden dan in een winding van de primaire spoel. Tegelijkertijd kost het voor een elektron minder moeite om door de spoel heen te bewegen, zodat de spanning daalt.
Vermogen
In een transformator met minder windingen in de secundaire spoel is de uitgangsspanning dus lager dan de ingangsspanning, terwijl de stroomsterkte aan de uitgang juist hoger is. Sterker nog: als het aantal windingen twee keer zo klein is, wordt de spanning ook twee keer zo klein, terwijl de stroomsterkte twee keer zo groot wordt. Het product van stroomsterkte en spanning, oftewel het vermogen, verandert dus niet bij een transformator.
Figuur 3: Zo ziet de grote trafo van figuur 1 en van binnen uit. Zoals op het laatste plaatje wat vaag te zien is, zit de secundaire spoel hier binnen in de primaire spoel. Dat wordt in de praktijk meestal gedaan, om ruimte te besparen. Zolang de spoelen elkaar niet aanraken, werkt dat net zo goed.