Генератор
презентация к уроку по физике (9 класс) на тему
Учащийся 9 класса подготовил презентацию о устройстве генератора.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 generator.pptx |
380 КБ |
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Генератор Подготовил ученик 9в класса Берников Андрей
Генера́тор постоя́нного то́ка — электрическая машина , преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока . Генератор состоит из : Статор Ротор Водяная турбина
Статор Ротор Водяная турбина
Статор(индуктор) На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения). В простейшем случае статор имеет два полюса, то есть один магнит с одной парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации на коллекторе.
Ротор(якорь) Минимальное число зубцов ротора, при котором самозапуск возможен из любого положения ротора — три. Из трёх, кажущихся явно выраженными, полюсов, на самом деле один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет минимум одну пару полюсов (как и статор, так как в противном случае работа двигателя невозможна). Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).
Взаимодействие магнитных полей Необходимо отметить, что работа по вращению ротора (рамки с током) совершается не за счет энергии внешнего магнитного поля ( поля статора), а за счет источника тока, поддерживающего неизменным ток в контуре рамки. При изменениях магнитного потока, пронизывающего контур (рамку с током) при вращении, в этом контуре возникает э.д.с . индукции, направленная противоположно э.д.с . источника тока. Следовательно, источник тока, кроме работы, затрачиваемой на выделение ленц-джоулева тепла, должен совершать дополнительную работу против э.д.с . индукции. Сам же процесс вращения происходит за счет силы Ампера, действующей на проводник с электрическим током, находящийся в магнитном поле. Правильное мнение, что ротор (рамка с током) приходит в движение за счет того, что его магнитное поле отталкивается от магнитного поля статора.
Открытый урок «Переменный ток. Генератор переменного тока» 9 класс
Развивающая – умение анализировать, делать выводы; развивать логическое мышление.
Воспитательная – воспитывать умение слушать других.
1.Орг. момент.
Здравствуйте ребята, сегодня у нас урок открытый, улыбнитесь гостям и друг другу, пожелаем удачного дня.
Практически вся жизнь человека в быту связана с электричеством. А что будет, если его не станет?
Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей?
2. Актуализация опорных знаний.
Проверка домашнего задания. Тест.
1. Проводник находится в электрическом поле. Как движутся в нём свободные электрические заряды?
А. Совершают колебательное движение
Б. Хаотично
В. Упорядоченно
2. Что принято за направление электрического тока?
А. Направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.
Б. Направление упорядоченного движения отрицательно заряженных частиц.
В. Определённого ответа дать нельзя.
3. Какова роль источника тока в электрической цепи?
А. Порождает заряженные частицы.
Б. Создаёт и поддерживает разность потенциалов в электрической цепи.
В. Разделяет положительные и отрицательные заряды.
4. В проводнике отсутствуют электрическое поле. Как движутся в нём свободные электрические заряды?
А. Совершают колебательное движение.
Б. Хаотично.
В. Упорядоченно.
5. Какие силы вызывают разделение зарядов в источнике тока?
А. Кулоновские силы отталкивания.
Б. Сторонние (неэлектрические) силы.
В. Кулоновские силы отталкивания и сторонние (неэлектрические) силы.
3. Цели урока:
Мы повторили материал о постоянном электрическом токе, а теперь изучим переменный электрический ток.
знать: определение переменного тока
параметры переменного тока (амплитуда, период, частота, фаза)
способ получения переменного тока
уметь: определять параметры переменного тока строить по данным таблицы и читать график переменного тока
4. Изучение нового материала.
До конца XIX века использовались только источники постоянного тока – химические элементы и генераторы. Это ограничивало возможности передачи электрической энергии на большие расстояния. Проблема была решена при использовании переменного тока и трансформаторов.
Электрический ток, изменяющийся во времени, называют переменным.
Переменный электрический ток вырабатывается в генераторах переменного тока, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется механическим двигателем, использующим тепловую, гидравлическую или атомную энергию.
Простейшей моделью такого генератора служит проволочный виток, который вращается в однородном магнитном поле.
Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален косинусу угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции: Ф = BS cos α
При равномерном вращении рамки угол а увеличивается прямо пропорционально времени: α = ωt,
где — угловая скорость вращения рамки.
Поток магнитной индукции меняется по гармоническому закону: Ф = BS cos ωt
Здесь величина ω играет уже роль циклической частоты.
Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком «-» скорости изменения потока магнитной индукции, т. е. производной потока магнитной индукции по времени:
Ф = B∙S∙cos α = B∙S∙cos ωt
e = – Ф = – B∙S∙(cos ωt) = B∙S∙ω∙sin ωt = εm∙sin ωt,
где εm = B∙S∙ω – амплитуда ЭДС индукции.
Если к рамке подключить колебательный контур, то угловая скорость ω вращения рамки определит частоту ω колебаний значений ЭДС, напряжения на paзличныx участках цепи и силы тока.
Мы будем изучать в дальнейшем вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, меняющегося с циклической частотой ω по закону синуса или косинуса:
u = Um ∙ sin ωt или u = Um cos ωt
где Um— амплитуда напряжения, т. е. максимальное по модулю значение напряжения.
Если напряжение меняется с циклической частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой. Но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае сила тока і в любой момент времени (мгновенное значение силы тока) определяется по формуле:
i= Im∙sin (ωt + φc)
Здесь Im — амплитуда силы тока, т. е. максимальное по модулю значение силы тока, а φc — разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
В промышленных цепях переменного тока сила тока и напряжение меняются гармонически с частотой v = 50 Гц. Переменное напряжение на концах цепи создается генераторами на электростанциях.
Рассмотрим принцип действия генератора: возьмем рамку, состоящую из n витков, и соединим ее с гальванометром с помощью колец и скользящих по ним контактов (щеток). Когда рамка вращается в магнитном поле постоянного магнита, то стрелка гальванометра совершает колебания около положения равновесия. Это означает, что в цепи появился переменный ток. Этот опыт моделирует работу генератора переменного тока. Конструкция и действие реального генератора, используемого в промышленности, значительно сложнее.
2) Активное сопротивление
Пусть цепь состоит из соединительных проводов и нагрузки с малой индуктивностью и большим сопротивлением R. Эту величину, которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением.
Сопротивление R называется активным, потому что при наличии нагрузки, обладающей этим сопротивлением, цепь поглощает энергию, поступающую от генератора.
Эта энергия превращается во внутреннюю энергию проводников — они нагреваются. Будем считать, что напряжение на зажимах цепи меняется по гармоническому закону: u = Um sin ωt
Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому для нахождения мгновенного значения силы тока можно применить закон Ома:
Из этой формулы следует, что колебания силы тока на резисторе совпадают по фазе с колебаниями напряжения. Амплитуда силы тока определяется равенством
Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции (ЭМИ).
Устройство генератора переменного тока.
Обмотка статора с большим числом витков, размещенных в его пазах. В ней наводится ЭДС.
Станина, внутри которой размещены статор и ротор.
Ротор (вращающаяся часть генератора) создаёт магнитное поле от электромашины постоянного тока.
Статор состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов. Пластины – из электротехнической стали.
Клеммный щиток на корпусе станины для снятия напряжения.
При равномерном вращении ротора в обмотках статора наводится ЭДС:
е = E sin 
t = BSN sin 2
nt,
где e = BSN – максимальное значение ЭДС; n – число оборотов ротора в секунду; N – число витков обмотки статора.
Вырабатываемое напряжение в промышленных генераторах 
—
В.
При вращении рамки в магнитном поле меняется магнитный поток. В рамке наводится переменная ЭДС индукции. Если цепь замкнута, то возникает индуктивный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через 1 /2 Т – по направлению.
Вынужденные электрические колебания, возникшие в цепях под действием напряжения, осуществляются по синусоидальному закону u =
sint или u =cost.
Построение графика синусоидального тока по данным таблицы.
Задание по графику.
Определить по графику: *T – период, f – частоту, Im – амплитуду силы тока.
5. Закрепление изученного материала – решение задач.
1). Сила тока в цепи изменяется по закону i = 3cos (100 t + /3) A. Определите амплитуду, круговую частоту и начальную фазу колебаний силы тока.
Ответ: Im = 3A, = 100 рад/с, 
o= /2 рад/c
2).Напряжение меняется с течением времени по закону u = 5cos(8t + 3/2) B. Определите амплитуду, круговую частоту и начальную фазу напряжения.
Ответ: Um = 5B, = 8 рад/с, o = 3/2 рад/с
3). Сила тока меняется с течением времени по закону I = 2sin(3t + /2) A. Определите амплитуду, круговую частоту и начальную фазу силы тока.
Ответ:Im = 2A, = 3 рад/c, o= —/2 рад/c
6. Подведение итога урока.
Вариант 1
- Что является источником энергии на ТЭС?
- Нефть, уголь, газ
- Энергия ветра
- Энергия воды
- В какой области народного хозяйства расходуется наибольшее количество производимой электроэнергии?
- В промышленности
- В транспорте
- В сельском хозяйстве
- Как изменится выделяемое проводами количество теплоты, если увеличить площадь поперечного сечения провода S?
- Не изменится
- Уменьшится
- Увеличится
- Какой трансформатор нужно поставить на линии при выходе из электростанции?
- Понижающий
- Повышающий
- Трансформатор не нужен
- Энергосистема — это
- Электрическая система электростанции
- Электрическая система отдельного города
- Электрическая система районов страны, соединенная высоковольтными линиями электропередачи
- Что является источником энергии на ГЭС?
- Нефть, уголь, газ
- Энергия ветра
- Энергия воды
- Трансформатор предназначен
- Для увеличения срока службы проводов
- Для преобразования энергии
- Для уменьшения выделяемого проводами количество теплоты
- Энергосистема — это
- Электрическая система электростанции
- Электрическая система отдельного города
- Электрическая система районов страны, соединенная высоковольтными линиями электропередачи
- Как изменится выделяемое проводами количество теплоты, если уменьшить длину провода?
- Не изменится
- Уменьшится
- Увеличится
- Какой трансформатор нужно поставить на линии при входе город?
- Понижающий
- Повышающий
- Трансформатор не нужен
Аспектный самоанализ урока физики в 9 классе по теме
«Генератор переменного тока. Трансформатор»
Учитель Шестакова Н.П.
(Анализ вовлечения учащихся в учебную деятельность на уроке.
Данный урок является одним из последних в системе уроков по теме «Электромагнитное поле».
Цель урока: знакомство учащихся с промышленным способом получения электрической энергии и его передачи потребителям.
Для достижения цели урока были поставлены следующие задачи:
обучающие — закрепить знания по теме «Явление электромагнитной индукции».
— изучить принцип получения и передачи переменного тока.
— познакомить с устройствами генератора переменного тока и трансформатором;
развивающие — создать условия для развития познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе наблюдения за демонстрацией эксперимента; развития умения выдвигать и проверять гипотезы, обнаруживать зависимости между электрическим током и магнитным полем, объяснять полученные результаты;
воспитательные: создать условия для воспитания интереса к предмету, вооружения учащихся научными методами познания, позволяющими получить объективные знания об окружающем мире; воспитывать необходимость соблюдения правил безопасного использования технических устройств, выступать в роли грамотного потребителя электрической энергии.Постановка задач урока обоснована с учетом особенностей учебного материала и выполнение их позволило достичь поставленной цели урока, идеи урока доведены до учащихся. Структура урока соответствует его целям.
Тип урока информационно-развивающий, т.к. программа ООО не предусматривает включение этого материала для проверки в ОГЭ и часть его является необязательной для изучения.
Структура урока, логическая последовательность взаимосвязана с этапами урока. Целесообразно распределено время урока между ними.
Форма обучения выбрана коллективная для организации эффективного взаимодействия обучающихся. В процессе работы осуществлялось взаимодействие: учитель – ученик, ученик – ученик, учитель – класс, ученик – класс.
Содержание урока соответствует требованиям государственных программ ООО, согласно которой ученики должны научиться рассказывать об устройстве и принципе действия генератора переменного тока; называть способы уменьшения потерь электроэнергии передаче ее на большие расстояния; рассказывать о назначении, устройстве и принципе действия трансформатора и его применении понимать роль эксперимента в получении научной информации; понимать условия безопасного использования в повседневной жизни трансформатора, генератора тока. Получить возможность научиться осознавать ценность научных исследований, роль физики в расширении представлений об окружающем мире и ее вклад в улучшение качества жизни
Степень усвоения нового материала хорошая, о чем говорят результаты тестирования в конце урока. Новый материал был связан с ранее известными фактами.
Учитывал разные каналы восприятия информации учащимися. Использовал при обсуждении материалов урока наглядные пособия, слайды, учебник, демонстрации
Видеоролик и анимационные слайды позволили активно включиться в обсуждение темы урока визуалам.
Музыкальное оформление, звуковое сопровождение обеспечило полную вовлеченность в образовательный процесс аудиалов.
Возможность активно двигаться, взаимодействовать с одноклассниками, работать с приборами в процессе представления и обсуждения материалов урока эффективно помогло кинестетикам в понимании и усвоении новой информации.
Живые демонстрационные опыты и их анимированные схемы на слайдах обеспечили сохранение и развитие мотивации на протяжении всего урока.
Рефлексия на уроке осуществлялась с помощью картинки «дерево». В процессе рефлексии очень хорошо было видно, как обучающиеся усвоили материал, все ли правильно они поняли, что позволило прямо в процессе обсуждения внести коррективы в понимание новой темы, дополнительно объяснить проявившиеся сложные моменты темы.
Общие результаты урока:
100% выполнение плана урока;
Полная реализация общеобразовательной, воспитывающей и развивающей задач урока;
усвоения знаний и способов деятельности учащихся проходило на 3 уровне — применение в новой ситуации, т.е. творческое.
Рекомендации себе по улучшению качества урока: в большей степени задействовать потенциал учеников при проведении урока, работать над мотивацией обучающихся как в начале урока, так и в ходе его.Урок физики в 9-м классе «Получение переменного электрического тока»
1. Закрепление знаний по теме «Явление электромагнитной индукции».
2. Изучение устройства и принципа действия генератора переменного тока и его применения.
II. Развивающая’
Развитие познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе наблюдений и демонстрации эксперимента.
III. Воспитательная
1. Воспитание интереса к предмету, вооружение учащихся научными методами познания, позволяющими получить объективные зна-ния об окружающем мире.
2. Воспитание ответственного отношения к природе, как социальной черты личности.
I. Организационный момент.
II. Проверка домашнего задания.
III. Изучение нового материала.
IV. Закрепление знаний учащихся.
V. Подведение итогов урока.
VI. Домашнее задание.
Оборудование
1. Источник тока (ВС – 24М);
2. Демонстрационный разборный трансформатор;
3. Ключ, гальванометр, электронный осциллограф, лампочки (220В, 40Вт; 3,5В, 0,2А)
5. Компьютер и проектор.
I. Организационный момент
2. Дежурный отмечает отсутствующих.
3. Знакомство учащихся с темой и целями урока.
II. Проверка домашнего задания.
1. Какую задачу в 1821 году поставил перед собой учёный М. Фарадей?
2. Как он решил эту задачу? (Ученик демонстрирует опыты)
3. Сделать вывод: при каком условии во всех опытах в катушке, замк-нутой на гальванометр, возникал индукционный ток?
4. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
5. В чём практическая важность открытия явления электромагнитной индукции?
6. Назовите фамилии отечественных учёных, внесших большой вклад в разработку и создание генераторов электрической энергии?
7. Разбор домашней задачи. Учебник «Физика», 9 кл. А.В Перышкин, Е.М. Гутник. Упр. 39(2), стр. 164.
Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 1).
Стрелочки, изображенные рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий ин¬дукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси 00′. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток? Ответ: Индукционный ток в кольце возникает только в случае г), так как только в этом случае изменяется магнитный поток, пронизывающий контур кольца.
III. Изучение нового материала.
1. Учитель демонстрирует опыт Фарадея, акцентируя внимание на том, что модуль и направление индукционного тока периодически меняется.
Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.
2. Демонстрация опыта.
Наблюдая опыт по осциллограмме напряжения, ученики должны подойти к выводу: сила тока (напряжение) в осветительной сети меняется со временем по гармоническому закону (то есть по закону синуса или косинуса). Учитель дополняет вывод информацией, что стандартная частота тока, применяемая в осветительной сети и промышленности России и большинства стран мира, равна 50Гц.
3. Учитель демонстрирует модель генератора переменного тока (вращение проволочной рамки в магнитном поле.
Учитель заостряет внимание учащихся на том, что в генераторе происходит превращение механической энергии в электрическую.
4.Объяснение по плакату устройства современного электромеханического индукционного генератора и назначения его основных элементов.
Вопрос к классу: каким образом приводится во вращение ротор генератора на гидроэлектростанции, на тепловой электростанции? Обсуждаются и уточняются ответы учащихся.
Добиться ответа:
— На гидроэлектростанциях – потоком падающей воды; — На тепловых – паром высокого давления и температуры.
5. Учитель демонстрирует действующую модели электростанции.
Соединяем шкив водяной турбины с помощью резинового ремня со шкивом генератора. Генератор замыкаем на низковольтовую лампочку 3,5В. Подаём воду из водопроводного крана в турбину. Вращение турбины передаётся генератору. Наблюдаем свечение лампочки.
Ученики должны подойти к выводу: что механическая энергия воды (пара) превращается в механическую энергию ротора, которая в свою очередь превращается в электрическую энергию!
6. На экран проецируются фотографии промышленных предприятий.
Классу предложено узнать объекты, где они находятся и их назначение.
.jpg)
.jpg)
Дети узнали ТЭЦ ВАЗа и ТольяттинскуюТЭЦ, Волжскую гидроэлектростанцию им. В.И. Ленина.
IV. Закрепление знаний, полученных на уроке.
1. Какой электрической ток называется переменным? С по¬мощью какого простого опыта его можно получить?
2. Где используют переменный электрический ток?
3. На каком явлении основано действие наиболее распростра¬ненных в настоящее время генераторов переменного тока?
4. Расскажите об устройстве и принципе действия промыш¬ленного генератора.
5. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции? на гидроэлектростанции?
6. Какова стандартная частота промышленного тока, применяемого в России и многих других странах?
2) Решение задачи:
Волжская ГЭС им. В.И. Ленина построена в 1950-1957 г.г., имеет напор 30м (разность высот между верхним и нижним течением), и электрическую мощность 2300 МВт.
1. Рассчитать запас потенциальной энергии каждого кубического метра воды в плотине.
2. Оценить ежесекундный расход воды.
V = 1 м3 ρ = 103 кг/м3 P = 2,3 •109 Вт
V. Подведение итогов.
Учитель подводит итоги урока, выставляет оценки ученикам, ком-ментируя каждый ответ и оценку.
VI. Домашнее задание:
Основной материал § 50. Упр. 40(2), стр. 168.
Дополнительный материал: подготовить сообщения по теме «Тепловые станции Тольятти» и «Экологические проблемы, связанные с работой тепловых и гидроэлектростанций».
Генератор переменного тока. Трансформатор
На уроке мы с вами вспомним, с помощью какого устройства получают переменный электрический ток. Познакомимся с устройством и принципом действия трансформатора и узнаем, для чего он служит. Научимся рассчитывать коэффициент трансформации. А также поговорим о производстве, передаче и потреблении электрической энергии.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступКонспект урока «Генератор переменного тока. Трансформатор»
На одном из прошлых уроков мы с вами знакомились с переменным электрическим током и его свойствами. Мы узнали, что основная часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью электромеханических индукционных генераторов переменного тока, создающими синусоидальное напряжение.
Индукционным генератором переменного тока называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.
Напомним, что основными частями индукционного генератора переменного тока являются:
индуктор — это постоянный магнит или электромагнит, который создаёт магнитное поле;
якорь — это обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;
и колле́ктор — контактные кольца и скользящие по ним контактные пластины (щётки), с помощью которых ток снимается или подводится к вращающимся частям.
Вращающаяся часть индукционного генератора называется ротором, а неподвижная — статором.
Как вы знаете, электрический ток вырабатывается на различного рода электростанциях. А выработанная на них электроэнергия передаётся потребителю с помощью линий электропередач (сокращённо ЛЭП). Вроде бы всё просто, но тут есть несколько нюансов. Дело в том, что потребители электричества есть повсюду. А вот производится она в сравнительно немногих местах и, как правило, близко к источникам топливо- и гидроресурсов. Помимо этого электроэнергию невозможно законсервировать в огромных масштабах, поэтому она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому существует необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери энергии, так как ток, проходя по проводам линии, нагревает их. Энергия тока, идущая на нагревание проводов линии передачи, является потерянной энергией.
Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Но как это осуществить? Закон Джоуля — Ленца указывает на два различных пути решения этой проблемы. Один путь — уменьшить сопротивление проводов линии передачи. Это можно сделать, взяв провода с большим сечением. Выясним на примере осуществимо ли это практически.
Пусть на электростанции установлен генератор постоянного тока мощностью 200 кВт, создающий напряжение 120 В. Требуется передать вырабатываемую генератором энергию на расстояние 10 км от станции. Какого сечения нужно взять медные провода, чтобы потери в линии передачи не превышали 10 % от передаваемой мощности?
Практически это значит, что такой способ передачи энергии невозможен.
Другой путь, ведущий к уменьшению потерь энергии в линии передачи, заключается в уменьшении тока в линии передачи. Но при данной мощности уменьшение тока возможно лишь при увеличении напряжения. Пусть теперь та же мощность в 200 кВт передаётся при напряжении 12 кВ. Тогда сила тока в линии электропередач составит примерно 16,67 А (то есть в сто раз меньше, чем в предыдущем случае). Так как величина тока уменьшилась в сто раз, то при тех же потерях мощности в ЛЭП сопротивление линии передачи увеличится в 100 2 раз, то есть в 10 000. А вот сечение проводов в 10 000 раз уменьшиться и станет равным 4,86 мм 2 . Значит и вес меди, идущей на изготовление провода, уменьшится в те же 10 000 раз. Следовательно, передача энергии станет практически возможной.
Таким образом, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением. При этом чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение в ней используется/
Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение тока, получаемого от генераторов, что осуществляется при помощи трансформаторов.
Трансформатор — это устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.
Днём рождения трансформатора переменного тока считается 30 ноября 1876 года — это дата получения патента Павлом Николаевичем Яблочковым на устройство, предназначенное для питания изобретённых им же электрических свечей — нового в то время источника света.
В основе работы любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Рассмотрим схему простейшего трансформатора. Итак, он состоит из двух изолированных катушек (обмоток) с разным числом витков в них. Обмотки находятся на сердечнике, который состоит из отдельных стальных пластин, собранных в замкнутую раму той или иной формы.
Приложим к концам левой обмотки, которую мы будем называть первичной, переменное напряжение (от сети или генератора). По обмотке пойдёт переменный ток, который намагнитит сталь сердечника, создав в нём переменный магнитный поток. По мере нарастания тока будет расти и магнитный поток в сердечнике, изменение которого возбудит в витках катушки ЭДС самоиндукции, мгновенное значение которой равно первой производной магнитного потока через поверхность, ограниченную одним витком, по времени:
Переменный магнитный поток, возникающий в сердечнике трансформатора, пронизывает и витки вторичной обмотки, возбуждая в каждом из них такую же по величине ЭДС индукции, что и в каждом витке первичной обмотки.
Если первичная обмотка имеет N1 витков, а вторичная — N2 витков, то в обмотках индуцируются (без учёта потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно электродвижущие силы «ЭДС один» и «ЭДС два»:
Разделив почленно первое уравнение на второе, получим, что возникающие в катушках ЭДС индукции (самоиндукции) пропорциональны числу витков в них:
Обычно активное сопротивление обмоток катушек очень мало и им часто пренебрегают. Поэтому приложенное к концам первичной обмотки напряжение можно считать примерно равным возникающей в ней ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком:
Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (это так называемый холостой ход трансформатора), то тока в ней нет, и напряжение на зажимах вторичной обмотки, равно индуцированной в ней ЭДС взятой с обратным знаком:
Мгновенные значения обеих ЭДС изменяются синфазно (то есть одновременно достигают максимумов и минимумов). Поэтому их значения можно заменить отношением действующих значений ЭДС или, учитывая предыдущие равенства, отношением действующих значений напряжений:
Величину К, равную отношению числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке, называют коэффициентом трансформации.
В том случае, когда нужно повысить напряжение, вторичная обмотка устраивается с большим числом витков (это повышающий трансформатор):
В случае же, когда надо понизить напряжение, вторичная обмотка трансформатора берётся с меньшим числом витков (это понижающий трансформатор):
Пока вторичная обмотка разомкнута, трансформатор работает вхолостую. При холостом ходе он потребляет небольшую энергию, так как ток, намагничивающий стальной сердечник вследствие большой индуктивности катушки, очень мал. Передача энергии из первичной цепи во вторичную при холостом ходе отсутствует.
Нагрузим наш трансформатор, замкнув через нагрузку цепь его вторичной обмотки (это так называемый рабочий ход трансформатора). В этом случае происходит непрерывная передача энергии из первичной обмотки трансформатора в его вторичную обмотку. При этом мощность, выделяемая в первичной цепи и выделяемая на нагрузке, будут определяться уравнениями, представленными на экране:
Напомним, что здесь cos φ определяет коэффициент мощности переменного тока. Зная мощности тока в первичной и вторичной цепи трансформатора, можно найти коэффициент полезного действия последнего:
Согласно закону сохранения и превращения энергии, мощность тока во вторичной цепи должна бы быть равна мощности в первичной цепи:
В действительности же это равенство не соблюдается, так как при работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на вихревые токи в сердечнике и на перемагничивание сердечника; однако потери эти невелики и сдвиги фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.
Поэтому трансформатор принадлежит к числу наиболее совершенных преобразователей энергии. А их коэффициент полезного действия достигает девяноста девяти процентов (99 %).
Иногда потерями в трансформаторе можно пренебречь и считать его КПД равным 100 %. Тогда из равенства мощностей первичной и вторичной цепи следует, что нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора обратно пропорциональны приложенным к ним напряжениям:
Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
Для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 350 витков, включён в сеть с напряжением 220 В. Ко вторичной обмотке трансформатора, имеющей 155 витков, включён потребитель сопротивлением 80 Ом. Какова сила тока во вторичной цепи, если падение напряжения на потребителе равно 70 В? Чему равно сопротивление вторичной катушки?
В заключение отметим, что напряжение, вырабатываемое генераторами на различных электростанциях, обычно не превышает 20 кВ. В то время, как мы показали ранее, для оптимальной передачи электричества на большие расстояния требуется напряжение в несколько сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подаётся на расположенную неподалёку повышающую трансформаторную подстанцию, а затем — в линии электропередач. Но поскольку очень высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочерёдно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 В или 220 В. И лишь потом электроэнергию получают жилые дома и предприятия.