Міністерство освіти і науки України

Черкаський національний університет імені Богдана Хмельницького

Кафедра фізики

План-конспект уроку на тему:

«Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму»

Місце проведення: Хацьківська загальноосвітня школа, 11 клас

Вчитель фізики: Заєць Мирослава Юріївна

Керівник з фізики: Ковальчук Андрій Олександрович

Виконала

студентка 1-го курсу ОКР «Магістр»

ННІ ФМ та КІС

денної форми навчання

Шемшур Наталія Миколаївна

Черкаси - 2013

Урок №

Тема: Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму.

Мета:

Навчальна: вивчити призначення, будову і принцип дії трансформатора; вивчити процес передачі та використання електричного струму;

Розвивальна: розвиток мови, вміння виражати та захищати свою точку зору; розвиток мислення (класифікувати факти, робити узагальнені висновки); розвиток пізнавальних умінь (формування умінь виділяти головне, спостерігати).

Виховна: виховати моральні якості, які виражаються у відношенні один з одним – уміння вислухати один одного, спокійно заперечити та сприйняти критику.

Тип уроку: комбінований урок.

Методи навчання:

• Словесні, наочні

• пояснювально-ілюстративний, частково-пошуковий

Основні джерела інформації:

Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. - Фізика. 11 клас. Рівень стандарту

 інтернет,

допоміжна література.

Базові поняття й терміни: індуктивність, самоіндукція, магнітне поле, напруга, електричний струм.

Нові терміни і поняття: трансформатор, коефіцієнт трансформації, холостий хід.

Структура уроку

І. Організаційний етап (1-2хв)

ІІ. Перевірка домашнього завдання (2-3хв)

ІІІ. Актуалізація опорних знань (3 – 5хв)

ІV. Засвоєння нових знань (10-15хв)

V. Застосування знань, умінь і навичок (5-10хв)

VІ. Усвідомлення і закріплення учнями вивченого матеріалу (3 – 5 хв)

VІІ. Підбиття підсумків уроку (3 – 5хв)

VІІІ. Домашнє завдання (1 – 2хв)

Хід уроку

І. Організаційний етап

- привітання

- підготовка класу до заняття

- оголошення теми, мети і завдання уроку.

ІІ. Перевірка домашнього завдання

ІІІ. Актуалізація опорних знань

1. Назвіть основні частини генератора змінного струму.

2. Поясніть причину появи ЕРС у статорі.

3. Який принцип роботи генератора змінного струму?

ІV. Засвоєння нових знань

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача. Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах, внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює

Р = І²R

де І – сила струму в лінії, R – опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач:

1) зменшення опору проводів;

2) використання меншої сили струму.

Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії при такій високій напрузі взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6–25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги (110, 220, 380В і т. д.).

Розглянемо будову і принцип дії трансформатора.

В найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя. Одна із обмоток – первинна – вмикається до джерела змінної напруги. Під час проходження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює ε_і. Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також - ε_і. Отже, якщо первинна обмотка має N₁ витків, а вторинна N₂, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

Відношення k називають коефіцієнтом трансформації. Коефіцієнт трансформації визначається при холостому ході трансформатора, тобто при розімкнутому колі вторинної обмотки. При холостому ході (коли до кінців вторинної обмотки не увімкнуто навантаження) в первинній обмотці йде так званий струм холостого ходу. Сила струму I₀ холостого ходу мала (становить приблизно 5% номінальної сили струму), внаслідок чого спад напруги в первинній обмотці малий, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола. Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій у ній ЕРС. Тому

Коефіцієнтом трансформації трансформатора називається відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході. В підвищувальному трансформаторі коефіцієнт трансформації k < 1 (відповідно N₂ > N₁), у знижувальному k > l. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна.

Увімкнемо тепер до вторинної обмотки коло, яке споживає електроенергію, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм I₂ (такої самої частоти). Цей струм створює в осерді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца назустріч потоку первинної обмотки. Послаблення магнітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці, що (при постійній ) викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Але збільшення сили струму у вторинній обмотці супроводжується збільшенням сили струму самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в первинній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д. Зрештою при постійному навантаженні встановлюється певний магнітний потік Ф, ЕРС індукції у вторинній обмотці і сила струму І₁ у первинній обмотці. При навантаженні трансформатора відбувається передача енергії із первинної обмотки у вторинну. За законом збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша за потужність у первинному на значення втрат потужності в трансформаторі:

Р₂ < Р₁; Р₁ = Р₂ + Р_втрат

Оскільки ККД трансформатора дуже близький до 1, то для наближених розрахунків можна знехтувати втратами потужності в трансформаторі і вважати, що

Р₁ = Р₂

Або: І₁U₁ = І₂U₂

Звідси:

При збільшенні навантаження понад розрахункове генератор не забезпечує постійності напруги на первинній обмотці, знижується напруга на вторинній обмотці.

Для кіл невеликої потужності іноді вторинною обмоткою трансформатора роблять частину первинної обмотки або, навпаки, частину вторинної обмотки – як первинну. В цьому випадку трансформатор називають автотрансформатором. Один з контактів автотрансформатора часто роблять рухомим, що дає можливість плавно змінювати вихідну напругу. 

Передача електроенергії на відстань

У передачі електричної енергії від електростанцій до споживачів велике значення має сила струму, що протікає по проводах. Електрична енергія виробляється на електростанціях синхронними генераторами при напрузі 11... 18 кВ (у деяких випадках при ЗО... 85 кВ). Хоча ця напруга дуже велика для безпосереднього використання її споживачами, проте вона недостатня для економічної передачі електроенергії на великі відстані. Для збільшення напруги застосовують підвищувальні трансформатори. Приймачі електричної енергії (лампи розжарення, електродвигуни тощо) розраховуються на більш низьку напругу, виходячи з міркувань безпеки для осіб, які користуються цими приймачами. Крім того, для високої напруги потрібна підсилена ізоляція струмоведучих частин, що роблять конструкцію апаратів і приладів дуже складною. Тому(високу напругу, при якій передається енергія, не можна безпосередньо використати для живлення приймачів, внаслідок чого до споживачів енергія підводиться через знижувальні трансформатори. Отже, електрична енергія при передачі її від місця виробництва до місця споживання трансформується три-чотири рази. Крім того, знижувальні трансформатори в розподільних мережах вмикаються неодночасно і не завжди на повну потужність, тому потужності встановлених трансформаторів у сім-вісім разів більші від потужності ге­нераторів, які виробляють електроенергію на електростанціях.