Презентация по физике 11 класса "Генератор переменного тока. Трансформаторы"

Генератор переменного тока. Трансформатор

Федоров А.М – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока представляет собой специализированную электрическую установку, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Последняя обладает переменной характеристикой. Само превращение основано на механическом вращении катушки из проволоки внутри магнитного поля.

Для сравнения

Трансформаторы

Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.

Принцип работы

Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.
А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве
вокруг себя изменяющееся электрическое поле.
И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.
Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа на холостом ходу

При изменении со временем магнитного потока в каждом витке первичной обмотки возникает ЭДС самоиндукции e = - Ф’, где Ф’ – производная потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную одним витком, по времени. Если число витков в первичной обмотке равно N1 , то мгновенное значение ЭДС самоиндукции в этой обмотке е1 = N1е. Т.к. магнитный поток через первичную и вторичную обмотки одинаков, то во вторичной обмотке полная ЭДС индукции е2 = N2е.
Отсюда следует, что
е1 е2 е1 е1 е2 е2 е1 е2 = N1 N2 N1 N1 N2 N2 N1 N2 .

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае напряжение на первичной обмотке равно ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком
𝑢₁ 𝑢𝑢₁ 𝑢₁ ≈ 𝑒₁ 𝑒𝑒₁ 𝑒₁
При холостом ходе 𝑢₂ 𝑢𝑢₂ 𝑢₂ ≈ 𝑒₂ 𝑒𝑒₂ 𝑒₂

Коэффициент трансформации

Мгновенные значения ЭДС е1 и е2 изменяются синфазно. Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений E₁ и E₂ этих ЭДС отношением действующих значений напряжений U₁ и U₂:
E₂ E₁ E₂ E₂ E₁ E₁ E₂ E₁ = U₂ U₁ U₂ U₂ U₁ U₁ U₂ U₁ = N₂ N₁ N₂ N₂ N₁ N₁ N₂ N₁ = K
Величина К называется коэффициентом трансформации. Он равен отношению напряжений во вторичной и первичной обмотках трансформатора.
При К < 1 (N₂ < N₁) U₂< U₁ и трансформатор является понижающим, а при К>1 – повышающим.

Работа нагруженного трансформатора

Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.
Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей».
То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки. Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.

Работа нагруженного трансформатора

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с ЗСЭ: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:
U₁ I₁ = U₂ I₂,
отсюда E₂ E₁ E₂ E₂ E₁ E₁ E₂ E₁ = U₂ U₁ U₂ U₂ U₁ U₁ U₂ U₁
Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока ( и наоборот).





Для уменьшения нагревания сердечника за счёт силы тока его изготавливают из отдельных пластин, что увеличивает его сопротивление и уменьшает силу тока.

Мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы, если пренебречь потерями, причиной которых является неизбежное нагревание проводов и сердечника.

КПД трансформатора

КПД трансформатора равен отношению мощности в нагрузке к мощности, подаваемой из сети в первичную обмотку:



КПД зависит от нагрузки. При больших нагрузках КПД постоянен и, как правило, достаточно велик (98-99%), при малых нагрузках КПД уменьшается.

Первичная обмотка трансформатора находится под напряжением 220 В, по ней проходит ток 0,5 А. На вторичной обмотке напряжение составляет 9,5 В, а сила тока равна 11 А. Определите коэффициент полезного действия трансформатора.

Применение трансформаторов

Трансформатор используется для повышения или понижения напряжения в электрической цепи переменного тока. Трансформатор можно использовать для преобразования переменного тока в постоянный.
Наиболее важными видами применения и применения трансформатора являются:
изменение уровня напряжения или тока (когда напряжение увеличивается, ток уменьшается и наоборот) в цепи переменного тока
изменение значения конденсатора, индуктора или сопротивления в цепи переменного тока
предотвращение перехода постоянного тока из одной цепи в другую
изолирование двух цепей
Основное применение трансформатора заключается в повышении (увеличении) или понижении (уменьшении) уровня напряжения.
Трансформаторы также применяются для:
повышения уровня напряжения на стороне генерации перед передачей и распределением.
для коммерческого или бытового использования электроэнергии, трансформатор понижает (декрирует) уровень напряжения, например, от 11 кв до 220 В однофазного и 440 В трехфазного.

Упражнения

Определите напряжение на концах первичной обмотки трансформатора, имеющей N1=2000 витков, если напряжение на концах вторичной обмотки, содержащей N2=5000 витков, равно 50 В. Активными сопротивлениями обмоток трансформатора можно пренебречь.

Напряжение на первичной обмотке понижающего трансформатора 220 В, мощность 44 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если отношения числа витков обмоток равно 5. Потерями энергии можно пренебречь.

Понижающий трансформатор включен в сеть с напряжением 1000 В и потребляет от сети мощность, равную 400 Вт. Каков КПД трансформатора, если во вторичной обмотке течет ток 3,8 А, а коэффициент трансформации равен 10?
Вторичная обмотка трансформатора, имеющая 95 витков, пронизывается магнитным потоком, изменяющимся со временем через один виток по закону  Ф = 0 , 01 sin 100 π t Ф=0,01sin100πt. Напишите формулу, выражающую зависимость ЭДС во вторичной обмотке от времени.

Домашнее задание

Использованные ссылки

https://rusenergetics.ru/oborudovanie/generator-peremennogo-toka
https://elektroznatok.ru/wp-content/uploads/2018/08/generator-toka-1-640x383.jpg
http://electricalschool.info/uploads/posts/2020-01/1579086592_1.png
http://electricalschool.info/main/osnovy/2255-princip-raboty-transformatora.html
https://amperof.ru/elektropribory/raschet-transformatora.html
https://elenergi.ru/ponizhayushhij-transformator-chto-eto-i-zachem-on-nuzhen.html