Трансформатор.

Занятие №

Тема: Трансформатор.

Цели:  Дидактическая: показать преимущества электрической энергии перед другими видами энергии.Дать понятие о принципиальном устройстве  трансформатора

Осветить экологические проблемы, связанные с использованием трансформаторов.

Развивающая: Развитие логического мышления, профессиональной лексики.

Воспитывающая: Воспитывать самосознание и настойчивость в овладении профессией.

Тип занятия: комбинированное.

Ход занятия.

1. Организационный момент.

2. Знакомство аудитории с темой и целью занятия.

Мотивация учебной деятельности студентов.

3. Актуализация опорных знаний.

Прежде чем мы будем говорить о производстве электрического тока, давайте вспомним:

Электрическая энергия обладает преимуществом перед всеми другими видами энергии: ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в другие формы: механическую, тепловую, световую и т.д.

Вопрос: Что называют электрическим током?

Ответ: Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Вопрос: Какие вам известны виды тока?

Ответ: Переменный и постоянный.

Всем известны источники постоянного тока: батарейка, фотоэлемент, аккумуляторы, и т.д. Область применения каждого из перечисленных видов определяется их характеристиками.

Достоинства – компактность, возможность использовать как автономный источник электричества, безмашинный способ получения энергии.

Недостатки – небольшая энергоемкость, высокая стоимость энергии, недолговечность, проблема утилизации отходов, малый КПД, зависимость от погодных условий и т.д.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Практически они дают всю используемую энергию.

 Вопрос: Что такое переменный ток?

Ответ: Переменный ток можно рассматривать как вынужденное колебательное движение свободных электронов или вынужденные электромагнитные колебания силы тока и напряжения, меняющееся со временем по гармоническому закону.

Переменный ток имеет преимущество перед постоянным, потому что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовать (трансформировать) почти без потерь, а такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно большая необходимость трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния - из соображений безопасности необходимо преобразование передаваемой энергии к большому напряжению, а затем к его понижению, при распределении между с потребителями.

Запишите в тетради преимущества переменного тока.

4. Изучение нового материала.

Много лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое легло в основу работы трансформатора. В этом же году появилось его схематическое изображение .

В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена индукционная катушка – прообраз трансформатора.

Яблочков Павел Николаевич в 1878 году использовал трансформатор для питания «электрических свечей» - нового в то время источника уличного света. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник.

Идея Яблочкова была развита сотрудником Московского университета Усагиным Иваном Филлиповичем.

Летом 1882 года на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве И. Ф. Усагин продемонстрировал своё изобретение — трансформатор промышленного типа, который значительно отличался от трансформатора П. Н. Яблочкова. Это была индукционная катушка оригинальной конструкции, позволяющая включать в цепь несколько источников света. При помощи трансформатора Усагина был освещён павильон электричества промышленно-художественной выставки. Своё изобретение Усагин называл «вторичным генератором».

В 1884 году в Англии братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами был создан первый трансформатор с замкнутым сердечником.

В конце 1880-х инженером Д. Свинберном было изобретено масляное охлаждение трансформатора – это повысило надежность и долговечность его обмоток.

В 1889 году русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский вместе с предложенной им трехфазной системой переменного тока создал первый трехфазный трансформатор.

Трансформатор – это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока, при котором напряжение уменьшается или увеличивается в несколько раз практически без потерь мощности

Трансформатор на холостом ходу – работа при разомкнутой цепи вторичной обмотке:

Мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:       

Если Ф = Ф0 соsωt, то      е´ = ω Ф0 sinωt, или      е = E0 sinωt ,где E0= ω Ф0 - амплитуда э.д.с. в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индук­ции e1 равна п1е., во вторичной обмотке полная ЭДС е2  равна п2е, где п2 - чис­ло витков этой обмотки.

Отсюда следует, что  

     Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u1 + e1 = i1 R1,

где  R1 - активное сопротивление обмотки, а i1 -сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего урав­нения. Обычно активное сопротивле­ние обмотки мало и произведением i1 R1 можно пре­небречь. Поэтому u1   ≈ - e1. (2)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение     u2 ≈ - e2         (3)                      

Так как мгновенные значения электродвижущих сил e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле можно заменить отношением дей­ствующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений  U:

k – коэффициент трансформации. 

Если k < 1 – трансформатор повышающий; k > 1 – трансформатор понижающий.

                                                     ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ 

Режим холостого хода —  режим, при котором вторичные обмотки ни к чему не подключены. ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик. Ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике на вихревые токи и на гистерезис.

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке

Режим короткого замыкания —  режим, при котором выводы вторичной обмотки соединены накоротко. Позволяет определить потерю мощности в обмотках трансформатора.

Трансформатор Тесла - Состоит из трансформатора особой конструкции, газоразрядного устройства, конденсатора, образующего вместе с первичной катушкой резонансный контур и электромагнитного излучателя.

·           Особенность конструкции трансформатора —

·           отсутствие ферритового сердечника,

·           первичная катушка содержит несколько витков провода большого диаметра,

·           вторичная о катушка содержит коло 1000 витков провода меньшего диаметра .

В цепь первичной катушки включен резонансный контур создающий высокочастотные колебания. В цепь вторичной  — излучатель. В результате использования явления резонанса, во вторичной цепи возникают колебания очень высокого напряжения. Частота этих колебаний равна частоте колебательного контура.

Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт.

Мы живем в 21 веке и основой цивилизованного образа жизни, следовательно, и научно-технического прогресса, является энергия, которой требуется все больше и больше. Казалось бы, вырабатывайте ее сколько угодно, пока есть полезные ископаемые, есть машины, вырабатывающие эту энергию. Но здесь возникает проблема.

Эту проблему можно назвать - проблема «трех Э»: Энергетика + Экономика + Экология. Для бурного развития экономики, требуется все больше и больше энергии, увеличение выработки энергии - ведет к ухудшению экологии, наносит большой вред окружающей среде.

Важнейшими направлениями экологизации научно-технического процесса, должны стать – внедрение ресурсосберегающих и безотходных технологий; переход к чистым и неисчерпаемым источникам энергии.

Нагруженный трансформатор 

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответ­ственно связь между U1 и U2 становится более  сложной.

Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи , ; 

где I1 и I2— действующие значения силы   в первичной и вто­ричной обмотках.

поэтому, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Существует два типа трансформаторов: бытовые и силовые

Бытовые используют в источниках питания различных электроприборов, технологических и медицинских рентгеновских установках, электропечах, плазменных и лазерных установках, устройствах радиолокации и электроники.

В бытовой технике  используют понижающие трансформаторы.

Силовые трансформаторы используют в линиях электропередач.

 Мощные трансформаторы помещают в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Трансформаторы бывают:

1) Разделительные - используются для обеспечения электрической безопасности приборами бытового и промышленного назначения. Рекомендуется подключать оборудование  через разделительный трансформатор в случае отстутствия надёжного заземления, при работе на открытом воздухе, в помещениях с повышенной влажностью, при контакте электроприбора с водой и металлами.В данных условиях возможна опасность поражения электрическим током при повреждении изоляции электроприбора. Данные трансформаторы обеспечивают безопасность работы  с электрооборудованием.

2) Измерительные - используют для измерения очень больших, очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях.

Решение задач

1. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

    2.  Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 500 витков, включён в сеть напряжением 150В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включён резистор сопротивлением 80 Ом. Найти силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней 50В.

3.  Понижающий трансформатор с коэффициентов трансформации, равным 10, включён в сеть с напряжением 220 В. Каково напряжение на выходе трансформатора, если сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом, а сопротивление полезной нагрузки 2 Ом?

5. Закрепление изученного на занятии.

Задание в тестовой форме по теме "Трансформаторы"

1 вариант

1.Трансформатор -это прибор, преобразующий переменный ток,при котором напряжение?

1)только увеличивается без потерь мощности;

2)уменьшается в несколько раз без потерь мощности;

3)увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности;

4)не изменяется;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3) самоиндукции;

4) генерирования;

3.Как осуществляется передача электрической энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную? 

1)с помощью электромагнитных волн;

2)по воздуху;

3)с помощью силы Лоренца;

4) помощью переменного магнитного поля, пронизывающего обе катушки;

4.В первичной обмотке трансформатора 100 витков, во вторичной – 20. Укажите правильное утверждение?

1)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 1000, трансформатор повышающий;

3)коэффициент трансформации равен 0,2, трансформатор понижающий;

4)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор понижающий;

5.Первичная обмотка трансформатора включена в сеть напряжением 20 В. На зажимах вторичной обмотки напряжение равно 200 В.Число витков во вторичной обмотке равно 1000.Чему равен коэффициент трансформации и число витков  в первичной обмотке?

1) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 10;

2) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 100;

3) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 100;

4) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 10;

2 вариант

1.Трансформатор – это прибор, преобразующий …, в котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности?

1)постоянный ток;

2)изменяющееся электрическое поле;

3)переменный ток;

4)среди ответов нет правильного;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3)генерирования;

4)самоиндукции;

3.В каком случае трансформатор является повышающим? 

1) k =1;

2) k = 0;

3) k > 1;

4) k < 1;

4.В первичная обмотка трансформатора содержит 800 витков, вторичная – 3200. Укажите правильное утверждение?

1) Коэффициент трансформации равен 8,трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 0,25,трансформатор понижающий;

3) коэффициент трансформации равен 4,трансформатор понижающий;

4) коэффициент трансформации равен 0,25, трансформатор повышающий;

5.Трансформатор изменяет напряжение от 200 В до 1000 В.В первичной обмотке 20 витков. Определите коэффициент трансформации и число витков во вторичной обмотке?

1) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 4;

2) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 100;

3) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 100;

4) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 400;

Эталон правильных ответов

Вариант

Ответы к вопросам

1

2

3

4

5

1

3

2

4

4

2

2

3

2

4

4

2

6. Подведение итогов занятия.

7. Домашнее задание. Г.Я. Мякишев. Физика. 11 класс §38

Скачано с www.znanio.ru