Порядок виконання роботи

1. Зібрати електричну схему (рис.11.3) з котушкою індуктивності без залізного осердя.

Рис. 11.3.

2. Користуючись перемикачем, під’єднати схему до клем постійної напруги джерела струму.

3. Користуючись регулятором вихідної напруги джерела струму, подати на схему три різних напруги U, значення яких виміряти вольтметром. Амперметром визначити три відповідних значення сили струму І, що проходить через котушку індуктивності. Дані записати в таблицю.

4. Для кожного з трьох відповідних значень U та I за формулою (20) визначити значення активного опору R₀ котушки індуктивності. Значення R₀ записати в таблицю.

5. Перемикачем під’єднати схему до змінної напруги джерела струму.

6. Для трьох значень ефективної напруги U визначити відповідні значення ефективної сили струму І (вимірювальні прилади для змінного струму показують ефективні напругу U_еф та силу струму І _еф). Дані занести в таблицю.

7. За формулою (19) визначити три значення Z і занести в таблицю.

8. За знайденими значеннями R₀, Z і відомим значенням (, де – частота змінного струму в промисловій мережі, яка дорівнює 50Гц) за формулою (18) вирахувати L .

9. За трьома значеннями L знайти його середнє значення і занести в таблицю.

10. Аналогічні виміри провести, вставивши в котушку залізне осердя. Дані вимірів і розрахунків занести в таблицю.

Таблиця

	№ п/п	Постійний струм			Змінний струм			L, Г	ΔL, Г
		U, B	I, A	R0, OM	Uеф, В	І еф, А	Z, OM
Котушка без осердя	1 2 3 серед.
Котушка з осердям	1 2 3 серед.

Контрольні питання

1. Що таке електромагнітна індукція? Види електромагнітної індукції.

2. Приклади використання явища електромагнітної індукції.

3. Закон Фарадея.

4. Що таке самоіндукція? Від чого залежить величина ЕРС самоіндукції?

5. Що таке коефіцієнт самоіндукції та одиниця його вимірювання?

6. Від чого залежить індуктивність соленоїда?

7. Чим відрізняється активний опір від реактивного?

8. Що таке імпеданс? За якою формулою він знаходиться?

9. Що розуміють під ефективним значенням сили змінного струму?

Лабораторна робота № 12 (20)

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТРАНСФОРМАЦІЇ ТА КОЕФІЦІЄНТА КОРИСНОЇ ДІЇ ТРАНСФОРМАТОРА

Мета роботи. Вивчити будову і принцип дії трансформатора, визначити коефіцієнти трансформації та корисної дії трансформатора.

Прилади і приладдя: трансформатор, автотрансформатор, амперметри, вольтметри, електролампи.

Література

1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. институтов. – М., 1979. – 552 с.

2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.

Теоретичні відомості

Головною технічною перевагою змінного струму є можливість змінювати в широких межах його параметри (силу струму і напругу) без суттєвих втрат електроенергії. Такі зміни називають трансформацією. Нагальна необхідність в трансформації виникає при передачі електроенергії на великі відстані, для отримання необхідних значень напруги в електричних і радіосхемах. Для цих цілей слугують різного типу трансформатори.

Трансформатор – це прилад, який використовується для зміни напруги і сили змінного струму. Найпростіший трансформатор складається з двох котушок (обмоток) проводу, одягнених на залізне (феромагнітне) осердя, що являє собою замкнутий магнітний контур (рис. 12.1).

Рис. 12.1.

Кінці однієї з обмоток трансформатора з’єднують з джерелом змінного струму. Цю обмотку називають первинною. До кінців другої обмотки, яку називають вторинною, приєднують прилади, які споживають електроенергію.

В основі роботи трансформатора лежить один із видів електромагнітної індукції – взаємоіндукція.

Взаємоіндукцією називають явище виникнення ЕРС в одному контурі, при зміні струму в другому (сусідньому) контурі.

Якщо у колі первинної обмотки проходить змінний струм, то навколо неї виникає змінне магнітне поле. Оскільки феромагнітне осердя є добрим магнітопроводом, то в ньому виникає спільний для обох обмоток магнітний потік:

,

де μ₀ – магнітна стала, яка дорівнює 4πּ10^-7 Гн/м; μ – магнітна проникливість осердя; S – площа поперечного перерізу осердя; H – напруженість магнітного поля струму первинної обмотки.

Зміна сили струму в первинній обмотці І₁ зумовлює і зміну магнітного потоку Ф, який, перетинаючи витки вторинної обмотки трансформатора, індукує в ній електрорушійну силу взаємоіндукції:

,

де n₂ – число витків вторинної обмотки.

Природа ЕРС індукції розкрита у роботі 11 (19).

Змінне магнітне поле індукує ЕРС і в самому осерді, яке виготовляється із матеріалу з доброю провідністю, що приводить до виникнення в ньому так званих вихрових струмів Фуко. Ці струми зумовлюють нагрівання осердя і втрати електроенергії. Тому осердя і виготовляють з окремих, ізольованих одна від другої, пластин.

Трансформатори бувають двох видів – трансформатори напруги і трансформатори струму. Трансформатори напруги бувають підвищувальними і знижувальними.

Підвищувальним називають трансформатор, у якому вторинна обмотка має більшу кількість витків, ніж первинна, внаслідок чого напруга на клемах вторинної обмотки більша, ніж напруга на клемах первинної обмотки.

Трансформатор, у якого первинна обмотка має більше витків, ніж вторинна, називається знижувальним.

Підвищувальні трансформатори перетворюють змінний струм більшої сили і нижчої напруги в змінний струм меншої сили і вищої напруги, а знижувальні – слабкий струм високої напруги в струм більшої сили, але нижчої напруги. Ця властивість трансформатора перетворювати струм випливає із закону збереження енергії:

,

де І₁, U₁, І₂, U₂ – сила струму і напруга в первинній і вторинній обмотках, відповідно; t – час проходження струму.

Важливими характеристиками трансформатора є коефіцієнт трансформації k і коефіцієнт корисної дії η.

Коефіцієнтом трансформації називається відношення напруги на клемах вторинної обмотки до напруги на клемах первинної обмотки при роботі в холостому режимі (коли до вторинної обмотки споживачі не приєднані):

; . (1)

В підвищувальному трансформаторі n₂>n₁, тому к>1, а в понижувальному – n₂<n₁ , тому к<1.

Коефіцієнтом корисної дії трансформатора називається відношення корисної потужності струму Р₂, що надходить із вторинної обмотки до споживачів, до потужності Р₁, що надходить від джерела струму в первинну обмотку:

. (2)

Потужність змінного електричного струму дорівнює добутку ефективної сили струму І_еф на ефективну напругу U_еф і на косинус кута зсуву фаз α між струмом та напругою:

. (3)

Із формул (2) і (3) маємо:

. (4)

Зазвичай η визначають у відсотках. Тоді робоча формула приймає вигляд:

Втрати електроенергії в трансформаторі зумовлені нагріванням проводів і осердя та частковим розсіюванням магнітного потоку. Однак, коефіцієнт корисної дії трансформатора дуже високий і може досягати 99%.

Користуючись формулами (1) і (4), в роботі необхідно визначити значення k і η.

Окрім трансформатора, характеристики k і η якого визначаються, в роботі використовується автотрансформатор, до якого приєднується первинна обмотка. Автотрансформатор має одну обмотку, з якої знімають напругу за допомогою пересувного контакту (повзунка).

Рис. 12.2.