 |
Лекция 59. Генерирование электрической энергии. Генераторы переменного тока. Электрические станции. Передача электроэнергии. Трансформаторы. Проблемы современной энергетики и охрана окружающей среды
|
|
|
|
Цель занятия: выяснить назначение и принцип действия трансформатора.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Контроль знаний | 1. Условия возникновения резонанса в электрической цепи. 2. Использование резонанса. |
| Демонстрации | Устройство и работа трансформатора. |
| Изучение нового материала | 1. Почему напряжение необходимо изменять. 2. Принцип действия трансформатора. 3. Холостой ход трансформатора. 4. Работа трансформатора под нагрузкой. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Почему напряжение необходимо изменять
Активное сопротивление провода определяется материалом, из которого он изготовлен, и его размерами: 
Для уменьшения сопротивления проводов надо или уменьшать удельное сопротивление материала, или увеличивать площадь поперечного сечения провода.
Увеличение площади поперечного сечения приводит к значительному увеличению массы проводов. Можно уменьшать удельное сопротивление, но это полностью не решает проблемы, поскольку передача значительной мощности P = UI при относительно незначительной напряжения требует достаточно высокой силы тока.
Если ту же мощность передавать значительного напряжения (соответственно, из-за малой силы тока), то потери энергии значительно уменьшаются. Поэтому прежде чем передавать энергию на большие расстояния, необходимо повышать напряжение. И наоборот: после того как энергия дошла до потребителя, напряжение необходимо снижать.
Такие изменения напряжения обеспечивают с помощью трансформаторов.
Ø Трансформатор - устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.
Далее рассмотрим строение трансформатора.
2. Принцип действия трансформатора
|
|
|
Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле. Благодаря стальном сердечнике вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник, пронизывает практически такое же переменное магнитное поле, что и первичную.
Поскольку все витки пронизаны тем самым переменным магнитным потоком, вследствие явления электромагнитной индукции в каждом витке генерируется одна и та же напряжение. Поэтому отношение напряжений U1 и U2 на первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них:
Изменение напряжения трансформатором характеризует коэффициент трансформации.
Ø Коэффициент трансформации - величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:
Повышающий трансформатор - трансформатор, увеличивает напряжение (U2 > U1). У повышающего трансформатора число витков N2 во вторичной обмотке должно быть больше число витков N1 в первичной обмотке, т.е. k 1.
Понижающий трансформатор - трансформатор, уменьшающий напряжение (U2 U1). У понижающего трансформатора число витков во вторичной обмотке должно быть меньше числа витков в первичной обмотке, то есть k > 1.
3. Холостой ход трансформатора
Работа ненагруженного трансформатора называется холостым ходом.
Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного тока напряжением щ. При этом в обмотке возникает ЭДС самоиндукции e1. Падение напряжения на первичной обмотке равен: i1r1 = u1 + e1, где r1 - сопротивление обмотки, который мы будем считать очень маленьким. Поэтому в любой момент времени: u1 ≈ -e1, следовательно, для действующих значений можно записать: 
Для второй обмотки: u2 + е2 = 0, u2 = -e2, 
Таким образом, в режиме холостого хода выполняется равенство:
4. Работа трансформатора под нагрузкой
Если к вторичной обмотке трансформатора присоединить нагрузку, то в ней возникнет электрический ток, что приводит к уменьшению магнитного потока в сердечнике и, как следствие, уменьшение ЭДС самоиндукции в первичной обмотке. В результате сила тока в первичной обмотке увеличится, и магнитный поток возрастет до первоначального значения. Чем больше сила тока во вторичной обмотке и мощность, которую она отдает потребителю, тем больше сила тока в первичной обмотке и мощность, потребляемая от источника. Поскольку потери энергии в трансформаторе малы, то U1I1 ≈ U2I2, отсюда U1/U2 = I2/I1.
|
|
|
Это означает, что в повышательном трансформаторе U1 U2 и I1 > I2, а в понижательном трансформаторе U1 > U2 и I2 > I1.
В трансформаторе, как и в любом техническом устройстве, существуют потери энергии.
Отношение мощности, которую трансформатор отдает потребителю электрической энергии, к мощности, которую трансформатор потребляет из электрической сети, называют КПД трансформатора:
Решение задач:
1. В первичной обмотке 200 витков, а во вторичной - 25 витков. Повышающая или понижающая напряжение у этого трансформатора? Во сколько раз?
2. Трансформатор повышает напряжение от 10 до 200 В. Сколько витков во вторичной обмотке трансформатора, если первичная обмотка содержит 600 витков?
3. Первичная обмотка трансформатора, содержащая 1500 витков провода, подключена к цепи переменного тока напряжением 220 В. Определите число витков во вторичной обмотке, если она должна питать круг напряжением 6,3 В и силой тока 1,5 А.
Сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом. Сопротивлением первичной обмотки пренебречь.
Контрольные вопросы:
Первый уровень
1. Какой принцип положен в основу работа трансформатора?
2. Можно трансформировать постоянный ток?
3. Почему электрическую энергию на большие расстояния передают под высоким напряжением?
4. Почему прежде чем подавать потребителям электрическую напряжение, ее снижают?
Второй уровень
1. Почему ненагруженный трансформатор потребляет очень мало энергии?
2. В какой из обмоток понижающего трансформатора (первичной или вторичной) диаметр провода должен быть больше? Ответ объясните.
3. Ток во вторичной обмотке трансформатора зависит от сопротивления подключенных приборов. Меняется ли в связи с этим ток в первичной обмотке и если да, то как это происходит?
|
|
|
4. Обмотки трансформатора сделаны из проводов разной толщины. Какая из обмоток содержит больше витков? Почему?
5. Что произойдет с катушкой трансформатора, если ее распрямить, не отключая от сети?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 32; Учебник-2: § 14 (п. 3).
2. Сборник задач.:
Уровень1 № 9.8; 9.10; 9.22; 9.23.
Уровень2 № 9.28; 9.29; 9.52; 9.53.
Уровень3 № 9.62, 9.63; 9.64; 9.67.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
