Конспект урока по физике 11 класс "Генерирование электрической энергии. Трансформаторы"

 

Конспект урока "Генерирование электрической энергии. Трансформаторы"(11 класс)

В данной теме речь пойдёт о способах генерирования электрической энергии. А также изучим устройство простейшего трансформатора.

Электромагнитная индукция – это явление заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. А полученный таким способом ток называется индукционным током.

Переменным называется ток, периодически изменяющийся со временем.

Для того чтобы в цепи существовал синусоидальный переменный ток, источник в этой цепи должен создавать переменное электрическое поле, изменяющееся синусоидально. На практике синусоидальная ЭДС создается генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.

Генераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую.

К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.д.

В настоящее время также исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Так, например, разрабатываются и уже частично используются топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую.

Область применения различных генераторов различна и определяется их характеристиками. Так, например, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но они не способны создать в цепи сколько-нибудь значимую силу тока. Гальванические же элементы наоборот могут дать большой ток, но продолжительность их невелика.

В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Такие генераторы позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В прошлой теме была рассмотрена простейшая модель такого генератора — рамка с током, вращающаяся в однородном магнитном поле вокруг своей оси.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей.

Ранее нами рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при его вращении в магнитном поле. На этом принципе и работает электромеханической генератор переменного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная магниту, называется статором, а вращающаяся, т. е. рамка, — ротором.

В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В рассмотренной нами ранее модели генератора, вращается проволочная рамка, играющая роль ротора.

Разумеется, можно было бы поступить и наоборот, т.е. вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. В больших промышленных генераторах приводится во вращение именно электромагнит.

Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы (станина — это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и прочее). Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые укладывается толстый медный провод. Именно в них и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока. Магнитное поле создается ротором. Он представляет собой электромагнит: на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток; а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Ток к этой обмотке подводится через щетки и кольца от постороннего источника постоянного тока, называемого возбудителем.

На рисунке представлена полная схема генератора переменного тока. При вращении ротора какой-либо внешней механической силой, создаваемое им магнитное поле тоже вращается. При этом магнитный поток, пронизывающий витки обмотки статора, периодически меняется, в результате чего в них индуцируется переменный ток.

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях — с помощью водяной турбины.

Обратите внимание, что ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока, вырабатываемого генератором при данной скорости вращения ротора. Поскольку скорость вращения водяных турбин обычно невелика, то для создания тока стандартной частоты используют многополюсные роторы.

Таким образом, электрическую энергию производят на электростанциях. Но ее каким-то образом надо передать потребителям, часто находящимся очень далеко от станции. Для этого между станцией и потребителем строят линии электропередач.

Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери, связанные с нагреванием проводов. Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя.

Уменьшение потерь электроэнергии при ее передаче от электростанций к потребителям является важной народнохозяйственной задачей. Из закона Джоуля-Ленца следует, что уменьшить потери можно либо за счет уменьшения сопротивления проводов, либо уменьшения силы тока в них. Сопротивление проводов будет тем меньше, чем больше площадь их поперечного сечения и чем меньше удельное сопротивление металла, из которого они изготовлены. Провода делают из меди или алюминия, так как среди относительно недорогих металлов они обладают наименьшим удельным сопротивлением. Однако увеличивать же толщину проводов экономически невыгодно, т.к. это ведет к перерасходу дорогостоящего цветного металла, а также возникновению трудностей при закреплении проводов на столбах. Поэтому такой способ снижения потерь практически невозможен.

Поэтому существенного снижения потерь можно добиться только за счет уменьшения силы тока. Но приданной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения. Без такого преобразования силы тока и напряжения передача электроэнергии на большие расстояния становится невыгодной из-за существенных потерь.

Так, электроэнергия Волжской ГЭС передается в Москву при напряжении 500 кВ, от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 кВ.

Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатора — устройства, служащего для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Первый трансформатор был изобретен в 1876 году русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света. А первый технический трансформатор впервые создал Иван Филиппович Усагин в 1882 г.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Простейший трансформатор представляет собой две изолированные друг от друга катушки (их еще называют обмотками), намотанные на общий замкнутый сердечник. По одной из обмоток (первичной) пропускается преобразуемый переменный ток, а вторичная обмотка соединяется с потребителем.

Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукциив витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея, оно будет определяться формулой

e = –Ф’

где Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

Если первичная обмотка имеет N₁ витков, а вторичная N₂ витков, то в обмотках индуцируются (без учета потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно e₁ и e₂, а их отношение будет равно

Т.е. возникающие в катушках ЭДС индукции (или самоиндукции) пропорциональны числу витков в них.

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции.

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, поэтому суммарная ЭДС индукции равна напряжению на зажимах вторичной обмотки.

Изменение мгновенных значений ЭДС происходит так, что они одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль, т.е. изменяются синфазно. Поэтому их отношения можно заменить отношением действующих значений этих ЭДС или отношением действующих значений напряжений.

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называют коэффициентом трансформации k.

В зависимости от того, какое значение принимает коэффициент трансформации, различают повышающий и понижающий трансформатор.

Его обычно определяют при холостом ходе трансформатора, т.е. при разомкнутой цепи вторичной обмотки.

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор называется повышающим, а если больше единицы — то понижающим.

При включении во вторичную цепь какой-либо нагрузки (это рабочий ход трансформатора) в ней начинает проходить ток нагрузки (он переменный и такой же частоты). Этот ток создает в сердечнике магнитный поток, направленный по правилу Ленца навстречу потоку первичной обмотки. В результате суммарный поток магнитной индукции в первичной катушке уменьшается, уменьшается и ЭДС, а, следовательно, сила тока будет увеличиваться. Это увеличение силы тока в первичной цепи приводит к увеличению магнитного потока, ЭДС индукции и силы тока во вторичной цепи. Но, как мы знаем, увеличение тока во вторичной цепи сопровождается увеличением тока самоиндукции и, следовательно, уменьшением магнитного потока который только что возрастал.

В конце концов, при постоянной нагрузке устанавливаются определенные магнитный поток, ЭДС индукции во вторичной цепи и ток в первичной цепи. Получается, что трансформатор сам, автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи.

При рабочем ходе трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную.

Мощность, потребляемая в первичной цепи, будет определяться формулой

а выделяемая на нагрузке

Коэффициент полезного действия трансформатора будет определяться отношением выделяемой мощности на нагрузке к потребляемой мощности в первичной цепи.

Однако не вся энергия, вырабатываемая генератором, передается потребителю. При работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на рассеивание магнитного потока в пространство, на вихревые токи Фуко в сердечнике и его перемагничивание.

Для уменьшения этих потерь принимаются следующие меры:

1) обмотка низкого напряжения делается большего сечения, так как по ней проходит ток большей силы;

2) сердечник делают замкнутым, что уменьшает рассеивание магнитного потока;

3) сердечник делают из изолированных пластин для уменьшения токов Фуко.

Благодаря этим мерам коэффициент полезного действия современных трансформаторов достигает 95—99%, а сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Если иногда можно пренебречь потерями в трансформаторе, т.е. считать его коэффициент полезного действия равным 100%, то мощность, потребляемая в первичной цепи, будет равна мощности, выделяемой на нагрузке. Тогда отношение силы тока в первичной обмотке к силе тока во вторичной обмотке будет обратно пропорционально соответствующим напряжениям. А это значит, что увеличивая с помощью трансформатора напряжение, во столько же раз будем уменьшать силу тока и наоборот.

В настоящее время трансформаторы нашли широкое применение, как в технике, так и в быту. Например, для передачи электроэнергии на большие расстояния используются как повышающие, так и понижающие трансформаторы (об этом, кстати, мы более подробно будем говорить в одном из следующих уроков).При подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети до 5.5 В, пригодного для телефона. В телевизоре имеется несколько трансформаторов (как понижающих, так и повышающих), поскольку для питания различных его узлов требуется напряжение от 1,5 В до 25 кВ и так далее.

Основные выводы:

– Генератор переменного тока – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

– В современной энергетике применяются индукционные генераторы, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции, и позволяющие получить большие токи при достаточно высоком напряжении.

– Конструкций индукционных генераторов существует достаточное количество, однако, неизменными в каждом из них, остаются ротор — подвижная часть генератора, и статор — неподвижная часть генератора.

– Трансформатор – устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

– Трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации, т.е. отношением числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке.

– В зависимости от значения этого коэффициента, различают повышающий и понижающий трансформаторы.

    Генератор электрического тока

 

В ос­но­ве яв­ле­ния элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции лежит воз­ник­но­ве­ние ин­дук­ци­он­но­го тока в кон­ту­ре при из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­то­ка, про­ни­зы­ва­ю­ще­го этот кон­тур. Таким об­ра­зом, если со­здать си­сте­му, в ко­то­рой маг­нит­ный поток, про­ни­зы­ва­ю­щий кон­тур, ме­ня­ет­ся по­сто­ян­ным об­ра­зом, то такая си­сте­ма ге­не­ри­ро­ва­ла бы элек­три­че­ский ток непре­рыв­но. При этом со­вер­шен­но неваж­но, про­ис­хо­дит ли дви­же­ние маг­ни­та от­но­си­тель­но кон­ту­ра или дви­же­ние кон­ту­ра от­но­си­тель­но маг­ни­та.

Ма­ши­на, в ко­то­рой маг­нит­ный поток, про­ни­зы­ва­ю­щий кон­тур, ме­ня­ет­ся непре­рыв­но пе­ри­о­ди­че­ским об­ра­зом, при этом ге­не­ри­руя элек­три­че­ский ток, на­зы­ва­ет­ся ге­не­ра­то­ром элек­три­че­ско­го тока.

Рис. 1. Ге­не­ра­тор элек­три­че­ско­го тока

На ри­сун­ке 1 пред­став­ле­на мо­дель ге­не­ра­то­ра пе­ре­мен­но­го тока. В этой мо­де­ли две то­ко­про­во­дя­щие ка­туш­ки (1) за­креп­ле­ны на валу и могут вра­щать­ся между по­лю­са­ми маг­ни­тов (2). Вал со­еди­нен с по­мо­щью ре­мен­ной пе­ре­да­чи (3) с ко­ле­сом (4), ко­то­рое при­во­дит­ся во вра­ще­ние вруч­ную. Дру­гой конец вала имеет сколь­зя­щие кон­так­ты (5) (кон­так­ты с вы­во­да­ми ка­туш­ки). На сколь­зя­щих кон­так­тах воз­ни­ка­ет элек­три­че­ское на­пря­же­ние, при­бли­зи­тель­но рав­ное ЭДС ин­дук­ции. Вра­ща­ю­ща­я­ся часть ге­не­ра­то­ра на­зы­ва­ет­ся ротор, непо­движ­ная – ста­тор.

Рис. 2. Гид­ро­элек­тро­стан­ция

Рис. 3. Теп­ло­элек­тро­стан­ция

Виды электростанций

По прин­ци­пу пред­став­лен­ной мо­де­ли ра­бо­та­ют все ге­не­ра­то­ры пе­ре­мен­но­го тока, в част­но­сти и самые мощ­ные, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся элек­тро­стан­ци­я­ми. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба, ко­то­рым при­во­дит­ся во вра­ще­ние ротор элек­тро­стан­ции, они под­раз­де­ля­ют­ся на раз­ные типы. На гид­ро­элек­тро­стан­ци­ях (см. Рис. 2) вра­ще­ние ро­то­ра про­ис­хо­дит за счет энер­гии па­да­ю­щей воды; на теп­ло­элек­тро­стан­ци­ях (см. Рис. 3) – за счет ра­бо­ты во­дя­но­го пара, по­лу­ча­е­мо­го при сжи­га­нии топ­ли­ва; на атом­ных элек­тро­стан­ци­ях – также за счет ра­бо­ты во­дя­но­го пара, ко­то­рый по­лу­ча­ет­ся из-за вы­де­ле­ния атом­ной энер­гии.

Одним из пер­вых кон­струк­то­ров гид­ро­элек­тро­стан­ции был ан­глий­ский про­мыш­лен­ник и ин­же­нер Джо­зеф Свон. Он вла­дел по­ме­стьем, по тер­ри­то­рии ко­то­ро­го про­те­ка­ла река. На бе­ре­гу реки ан­гли­ча­нин уста­но­вил во­дя­ное ко­ле­со, ко­то­рое при­во­ди­ло во вра­ще­ние ка­туш­ку, рас­по­ло­жен­ную между двумя боль­ши­ми маг­ни­та­ми. К ка­туш­ке Свон при­со­еди­нил про­во­да и впер­вые в ис­то­рии че­ло­ве­че­ства осве­тил соб­ствен­ный дом элек­три­че­ским све­том.

Из­вест­но, что при про­те­ка­нии элек­три­че­ско­го тока в про­вод­ни­ке вы­де­ля­ет­ся тепло (по за­ко­ну Джо­у­ля – Ленца), сле­до­ва­тель­но, про­ис­хо­дят по­те­ри энер­гии. Если учесть, что между элек­тро­стан­ци­ей и по­тре­би­те­лем про­тя­ги­ва­ют линии элек­тро­пе­ре­дач на очень боль­шие рас­сто­я­ния, то в этих про­во­дах долж­ны про­ис­хо­дить очень боль­шие по­те­ри энер­гии.

Спо­со­бы по­вы­ше­ния эф­фек­тив­но­сти элек­тро­стан­ции и по­ни­же­ния по­терь энер­гии об­су­дим на сле­ду­ю­щих уро­ках, по­свя­щен­ных элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции.

Трансформатор

Основы теории трансформаторов

Во время рассмотрения открытия электромагнитной индукции мы обращались к опытам Фарадея. На один сердечник были намотаны две катушки: одна сверху другой, при этом внутренняя катушка оказывалась в магнитном поле внешней катушки (рис. 1.). Это и был первый шаг на пути создания трансформатора.

        

Рис. 1. Трансформатор

Схема трансформатора впервые появилась в работах Фарадея и Джозефа Генри. Однако ни один учёный не отмечал в возможностях изменение напряжений и тока – трансформирование переменного тока.

30 ноября 1876 г. считается датой рождения первого трансформатора. В этот день П. Н. Яблочков (рис. 2) получил патент на изобретение данного устройства. После этого возник научный интерес к изучению переменного тока. И, как следствие, возник интерес к изучению металлических, неметаллических, магнитных материалов и созданию о них теорий.  

 

Рис. 2. Яблочков П. Н.

Рассмотрим некоторые основы теории трансформаторов. Трансформатор – это техническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз. Любой трансформатор (рис. 3) состоит из системы катушек и сердечника.

Рис. 3. Трансформатор	Рис. 4. Схема трансформатора

Базовый принцип действия трансформатора (рис. 4) состоит в том, что в основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. Одну из катушек – первичную – подключают к источнику переменного тока. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток, пронизывающий сердечник – магнитопровод. Изменяющийся в сердечнике магнитный поток создаёт ЭДС индукции во второй катушке. Эта ЭДС индукции создаёт во вторичной обмотке переменный ток.

На рис. 5 приведена принципиальная схема трансформатора. Так трансформатор обозначается следующим образом: центральная широкая линия соответствует сердечнику, первичная обмотка, обычно слева, и вторичная обмотка – справа, число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков в обмотке.

                                                                                                              

Рис. 5.

Холостой режим

Существует два режима работы трансформатора. Рассмотрим ситуацию, при которой вторичная обмотка не замкнута на нагрузку потребителя. Такой режим работы называется холостой ход. При пропускании переменного тока через первичную обмотку в сердечнике возникает переменный магнитный поток. Сердечник устроен таким образом, чтобы магнитный поток полностью оставался внутри этого сердечника. Мгновенное значение ЭДС индукции в любом витке будет равно первой производной магнитного потока со знаком минус.

                                                                    (1)

Если поток меняется по гармоническому закону, то и ЭДС индукции будет меняться по гармоническому закону, но со сдвигом фазы 90°.

                                                     (2)

                                                         (3)

В первичной обмотке с числом витков N1 полная ЭДС индукции будет равна произведению мгновенного значения ЭДС на число витков в этой обмотке.

                                                                (4)

Во вторичной обмотке суммарное значение ЭДС также будет равно произведению мгновенного значения ЭДС на число витков во вторичной обмотке.

                                                                (5)

Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС в вторичной обмотке равно отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках.

                                                                       (6)

Поскольку обычно электрическое сопротивление обмоток трансформатора – достаточно малая величина, которой можно пренебречь, то модуль напряжения на зажимах первичной катушки приблизительно равен ЭДС индукции первичной катушки.

                                                                   (7)

При холостом ходе вторичная обмотка не замкнута – ток в ней не протекает, следовательно, напряжение между зажимами вторичной обмотки равно ЭДС индукции в этой обмотке.

                                                                   (8)

Мгновенные значения ЭДС в обеих обмотках изменяются синфазно: одновременно достигают максимума, минимума и проходят через ноль. Следовательно, отношение ЭДС в обеих обмотках можно заменить на отношение двух действующих напряжений в них. Так, для двух катушек трансформатора отношение числа витков – величина постоянная – коэффициент трансформации (K).

                                                                 (9)

Если K > 1, напряжение на зажимах вторичной катушки меньше, чем напряжение на зажимах первичной, а трансформатор с таким коэффициентом – понижающий. Если K < 1, напряжение на зажимах вторичной обмотки больше, чем напряжение на зажимах первичной обмотки, и трансформатор – повышающий.

В режиме холостого хода, когда вторичная обмотка не подключена к нагрузке, ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение, подаваемое от источника, и при этом ток в первичной обмотке крайне маленький. В режиме холостого хода ток в первичной обмотке характеризует величину потерь в сердечнике. При этом мощность потерь можно вычислить путём умножения тока холостого хода на напряжение, подаваемое от источника.

 Режим работы с нагрузкой  

Рассмотрим теперь второй режим работы трансформатора – режим с нагрузкой. В этом режиме вторичная обмотка подведена к нагрузке потребителя. При подключении нагрузки во вторичной обмотке возникает электрический ток, который своим магнитным полем препятствует изменению магнитного потока в первичной обмотке. В результате, в первичной обмотке нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника. Как следствие, в первичной обмотке начинает возрастать электрический ток. Возрастает он до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. Увеличение тока в цепи первичной обмотки  происходит в соответствии с законом сохранения энергии – потери энергии в катушке, присоединённой ко вторичной обмотке, компенсируются потреблением от источника питания точно такой же энергии. Мощность первичной цепи при нагрузке трансформатора приблизительно равна мощности во вторичной цепи.

                                          (10)

Получим, что отношение напряжений на катушках трансформатора приблизительно равно обратному отношению токов в этих катушках:

                                                    (11)

Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем ток.

Известно, что для создания трансформаторов необходимо хорошо знать свойства материалов. На сегодня потери в некоторых трансформаторах составляют 2–3% от мощности источника. В крупных силовых трансформаторах эти потери могут иметь большие значения, и для их работы используют мощные системы охлаждения.

Итоги

1. Трансформаторы – это технические устройства, работающие на явлении электромагнитной индукции и состоящие из нескольких катушек, намотанных на общий сердечник. Трансформаторы предназначены для повышения или понижения напряжения, подаваемого на первичную обмотку.  

2. В режиме холостого хода отношение действующих на зажимах катушек напряжений равно отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках. Это отношение является числом, постоянным для данного трансформатора, и называется коэффициентом трансформации.

3. В режиме работы с нагрузкой мощности токов в обеих катушках приблизительно равны, и отношение действующих напряжений на зажимах катушек равно обратному отношению токов в этих катушках.

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.
Использованные источники:

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/11-klass/
• http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass
• http://www.youtube.com/watch?v=illIQJ_-JJg

 

 

Скачано с www.znanio.ru