Перетворення змінного струму. Трансформатор

План заняття № 47

Вид заняття: лекція.

Тема: Змінний струм. Обертання рамки у магнітному полі. ЕРС рамки при обертанні. Індуктивність та ємність у колі змінного струму. Перетворення змінного струму. Трансформатори. Коливальний контур.

Мета: Забезпечити знання учням понять: змінний струм, трансформатор, активний та реактивний опори. Розглянути принцип дії трансформатора. Розвивати вміння логічно мислити, робити висновки, виражати думки.

Методи: направлені на закріплення і удосконалення знань та формування вмінь та навичок, и одночасне первинне засвоєння матеріалу: інформаційно-розвиваючі и репродуктивні.

План лекції:

1. Змінний струм.

2. Перетворення змінного струму. Трансформатор.

3. Коливальний контур. Перетворення енергії в коливальному контурі. Формула Томсона.

Література:

1.1. Гончаренко С.У. Фізика. 10-11 класи шкіл гуманітарного профілю. – К.: Освіта, 1996.

1.2. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів – К.: Вища школа, 1993.

1.3. Гофман Ю.В. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Наукова думка, 1977.

1.4. М’якішев Г.Я., Буховцев Б.Б. Фізика 10 клас. – М.: Просвіта, 1990.

1.5. М’якішев Г.Я., Буховцев Б.Б. Фізика 11 клас. – М.: Просвіта, 1991.

 

Структура заняття:

1. Організаційна частина: переклик, організаційні питання.

2. Повідомлення теми, мети та основних завдань.

3. Актуалізація опорних знань та мотивація навчаль­ної діяльності.

4. Питання лекції:

4.1 Змінний струм.

4.2 Перетворення змінного струму. Трансформатор.

4.3 Коливальний контур. Перетворення енергії в коливальному контурі. Формула Томсона

5. Підведення підсумків, узагальнення матеріалу.

6. Видача завдання для самостійної роботи студентів: домашнє завдання

 

Зміст лекції:

Змінний струм

Практичне застосування мають незатухаючі коливання, які можуть тривати, як завгодно довго. Дуже важливу роль в техніці відіграють коливання, що виникають під дією зовнішньої ЕРС, яка періодично змінюється. Такі незатухаючі коливання називаються вимушеними електромагнітними коливаннями.

Особливо важливим прикладом вимушених електромагнітних коливань є звичайний змінний струм, який широко застосовується для освітлення, приведення в рух машин і механізмів. Якщо електричне коло під єднати до джерел змінної ЕРС, то на електрони в провіднику діятиме змінна сила, під дією якої вони почнуть переміщатись. При цьому рух електронів точно повторює характер змін ЕРС.

Змінний струм – це по суті вимушені коливання електричних зарядів у провіднику під дією прикладеної змінної ЕРС.

Змінний струм розрізняється за характером зміни сили струму. Найбільш важливими є струми, сила яких змінюється за гармонічним законом, тобто за законом синуса або косинуса. Саме такі змінні струми виробляють генератори.

Для отримання в колі змінного струму, сила якого змінюється за законом синуса, необхідно увімкнути в коло джерело з ЕРС, яка також періодично змінюється за законом синуса: , де Е₀ – амплітудне значення ЕРС, ω – циклічна частота змінної ЕРС.

Найпростішим способом одержання низькочастотних змінних струмів є обертання рамки з провідників в однорідному магнітному полі (або навпаки — обертання магнітного поля, яке перетинає нерухомі провідники). Нехай у початковий момент часу рамка розташована так, що напрямок нормалі п (перпендикуляра) до неї збігається з напрямком індукції магнітного поля В, в якому рамка обертається. Магнітний потік, який при цьому пронизує рамку має максимальне значення.

Рамка обертається рівномірно з кутовою швидкістю, і кут повороту рамки у будь-який момент часу . Магнітний потік, який пронизує рамку, змінюється за законом косинуса: .

За законом електромагнітної індукції, в разі зміни магнітного потоку, що пронизує контур, виникає електрорушійна сила індукції:

, тому що .

Максимальне значення цієї ЕРС, або амплітуда ЕРС (при ) дорівнює , тому .

Кількість тепла, що виділяється в провіднику, змінюється пропорційно квадрату сили струму. Змінний струм за своїм тепловим ефектом подібний до змінного струму. Це дозволяє ввести поняття ефективного значення сили змінного струму.

Ефективним (або діючим) значенням сили змінного струму називають силу такого постійного струму, який за один період змінного струму виділяє стільки тепла, скільки останній за той же час.

Усі амперметри, що призначені для змінного струму, показують ефективне значення сили струму, воно у разів менше амплітудного значення сили струму: .

Поділки на шкалі вольтметра дорівнюють добутку ефективного значення сили струму та опору вольтметра, тоді цю напругу називають ефективною напругою змінного струму та дорівнює вона: . Таким чином ефективне значення ЕРС змінного струму можна знайти по формулі: .

Опір кола, який зумовлює безповоротні втрати електричної енергії на теплову дію струму, називають активним. Цей опір для струму низької частоти має вигляд: .

В колі змінного струму, що має тільки активний опір, зсув фаз між напругою та струмом . Це значить, що струм та напруга в такому колі змінюється в однакових фазах, а електрична енергія повністю йде на теплову дію струму.

Увімкнення в коло змінного струму котушки індуктивністю L проявляється як збільшення опору кола. При змінному струмі в котушці діє ЕРС самоіндукції, що послаблює струм.

Опір X_L, зумовлений явищем самоіндукції, називають індукційним опором. Він прямо пропорційний індуктивності кола і циклічній частоті змінного струму:

.

Напруга на індукційнім опорі випереджає за фазою струм.

Якщо у коло змінного струму приєднати конденсатор з ємністю С, сила струму тим більша, чим більше ємність конденсатора.

Опір Х_С, зумовлений наявністю електроємності в колі змінного струму, називають ємнісним опором. Він обернено пропорційний ємності С та циклічній частоті: .

Наруга на ємніснім опорі відстає за фазою від струму.

Індукційний і ємнісний опори називають реактивними. При послідовному увімкненні індукційного та ємнісного опорів загальний реактивний опір дорівнює їх різниці: та має індуктивний характер при X_L>X_C і ємнісний характер при X_L<X_C.

 

Перетворення змінного струму. Трансформатор

Однією з важливих переваг змінного струму є те, що напруга змінного струму легко піддається зміні за допомогою електромагнітної індукції, а способи перетворення постійного струму складні.

Трансформатор – це прилад для перетворення напруги і сили змінного струму при незмінній частоті.

Він був сконструйований у 1876 р. П.Н. Яблочковим. Складається з замкненого осердя, зробленого з м’якої сталі або фериту, на якому знаходяться дві ізольованої одна від одної котушки (обмотки) з різним числом витків. Первинна обмотка вмикається в мережу змінного струму, а вторинна обмотка з’єднується зі споживачем.. Струм в первинній обмотці створює в осерді змінний магнітний потік, який наводить однакову ЕРС індукції у кожному витку обох обмоток.

Якщо первинна обмотка має кількість витків п₁, а вторинна п₂, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні числу витків в них: . При розімкненому колі вторинної обмотки (холостий хід трансформатора) напруга на клемах . Напруга на опорі первинної обмотки дуже мало, тому напруга U₁ майже дорівнює Е₁.

Таким чином при холостому ході трансформатора напруга на обмотках прямо пропорційна числу витків обмоток: .

Коефіцієнт трансформації – це відношення числа витків первинної обмотки до числа витків вторинної обмотки: .

Якщо п₂ > п₁ (k < 1) – трансформатор, що підвищує,

а якщо п₂ < п₁ (k > 1) – трансформатор, що занижує.