Трансформатор.
презентация к уроку по физике (11 класс) на тему

Слайд 1

Трансформатор. «Как наша прожила б планета, Как люди жили бы на ней, Без темноты, магнита, света И электрических лучей ?» Мицкевич

Слайд 2

Павел Николаевич Яблочков ( 14 (26) сентября 1847 - 19 (31) марта 1894 )( 46 лет) получил мировую известность как изобретатель конструкции электрической свечи – предшественницы современной лампы накаливания . Свеча Яблочкова представляла собой два стержня, разделённых изоляционной прокладкой из каолина. Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних концах зажигался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал. Каждая свеча горела полтора часа; по истечении этого времени приходилось вставлять в фонарь новую свечу (впоследствии были придуманы фонари с автоматической заменой свечей). 15 апреля 1876 года в Лондоне открылась выставка физических приборов, на которой Яблочков представил четыре своих свечи. Успех «свечи Яблочкова» превзошёл все ожидания. Мировая печать, особенно французская, английская, немецкая, пестрела заголовками: «Вы должны видеть свечу Яблочкова»; «Изобретение русского отставного военного инженера Яблочкова — новая эра в технике»; «Свет приходит к нам с Севера — из России»; «Северный свет, русский свет, — чудо нашего времени»; «Россия — родина электричества» и т. д. С марта 1876 по октябрь 1877 — он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и открытий – в том числе, и первый генератор переменного тока, и первый в мире трансформатор переменного тока – именно за это изобретение сегодня и почитают Яблочкова.

Слайд 3

В странах Европы и Америки наибольшее распространение получил ток, меняющий свое направление 100-120 раз в секунду. В России частота переменного тока 50 Гц. Колебания маятника также подчиняются закону синуса . Если записать проекцию траектории движения математического маятника на движущуюся бумажную ленту — получится синусоида .

Слайд 4

С использованием переменного тока связан основной способ передачи электроэнергии вследствие относительной простоты его преобразования (повышения и понижения напряжения, выпрямления, изменения частоты). Преобразование переменного тока , при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности ( при неизменной частоте тока), осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор преобразует переменный ток так: , P и v не изменяются . Первый трансформатор был изобретен в 1878 году русским ученым П.Н.Яблочковым и усовершенствован в 1882 году другим русским ученым И.Ф.Усагиным.

Слайд 5

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты

Слайд 7

U ₁ - напряжение на первичной обмотке , U₂ - напряжение на вторичной обмотке, N₁ - количество витков первичной обмотки , N₂ - количество витков вторичной обмотки , I ₁ - ток первичной обмотки , I ₂ - ток вторичной обмотки. В трансформаторе соблюдается закон сохранения энергии, то есть какая мощность в транс заходит, такая и выходит.

Слайд 8

К аждый виток первичной и вторичной обмоток пронизывает один и тот же магнитный поток, то в них возникают одинаковые ЭДС , равные по закону Фарадея для электромагнитной индукции: е 1 = е 2 = – Ф' ЭДС Е 1 и Е 2 действующие во всей первичной или вторичной обмотках, равны произведению ЭДС в одном витке е 1 или е 2 на число витков в обмотке N 1 и N 2 Е 1 = е 1 • N 1 Е 2 = е 2 • N Вывод: ЭДС, действующие в обмотках, прямо пропорциональны числу витков в них. Сила тока в первичной обмотке трансформатора во столько раз больше силы тока во вторичной обмотке, во сколько раз напряжение в ней больше напряжения в первичной обмотке: Если пренебречь падением напряжения на сопротивлениях обмоток, когда сопротивления малы, то можно записать отношение и для напряжений на обмотках трансформатора

Слайд 9

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции: При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке . Магнитное поле концентрируется внутри сердечника и одинаково во всех его сечениях. Мгновенное значение индукции Ei в любом витке и первичной, и вторичной обмоток одинаково: Е 1 = Е 2 Потери энергии при работе трансформатора: на нагревание обмоток; на рассеивание магнитного потока в пространство; на вихревые токи в сердечнике и на его перемагничивание. Меры , принимаемые для уменьшения потерь: обмотка низкого напряжения делается большого сечения так, как по ней протекает ток большой силы; сердечник делают замкнутым, чтобы уменьшить рассеяние магнитного потока; сердечник делают пластинчатым, чтобы уменьшить вихревые токи . Благодаря этим мерам КПД современных трансформаторов достигает 95-99%.

Слайд 10

Работа трансформатора на холостом ходу. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения , а вторичную оставить разомкнутой - это режим называют холостого хода трансформатора Во вторичной обмотке тока не будет, а в первичной обмотке появится слабый ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток наводит в каждом витке обмоток одинаковую ЭДС, поэтому ЭДС индукции в каждой обмотке будет прямо пропорциональна числу витков в этой обмотке . При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U 2 будет равно наводимой в ней ЭДС Е 2 .

Слайд 11

Величина , показывающая, во сколько раз данный трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации . При подаче на первичную обмотку трансформатора какого-либо напряжения U 1 на вторичной обмотке мы получаем на выходе U 2 . Оно будет больше первичного , если обмотка содержит больше витков, чем первичная . N 2 > N 1 , то U 2 > U 1 , коэффициент трансформации: k < 1 трансформатор называется повышающим. N 2 < N 1 U 2 < U 1 k > 1 трансформатор называется понижающим .

Слайд 12

Эти формулы справедливы, если ни первичная, ни вторичная обмотки не содержат активного сопротивления R. Первичная обмотка, как правило, не содержит такого сопротивления, а вторая обмотка может его содержать. Если она все же не содержит сопротивления или им можно пренебречь, то напряжение на выходе такой обмотки равно напряжению U 2 . Когда вторичная обмотка трансформатора не имеет сопротивления R 2 = 0, то кпд = 100% Апол = А затр , тогда U 1 I 1 t = U 2 I 2 t U 1 I 1 = U 2 I 2 Р 1 = Р 2

Слайд 13

Работа трансформатора с нагрузкой. Если во вторичную цепь трансформатора включить нагрузку , то во вторичной обмотке возникает ток . Этот ток создает магнитный поток, который согласно правилу Ленца , должен уменьшить изменение магнитного потока в сердечнике, тогда уменьшится ЭДС индукции в первичной обмотке, поэтому ток в первичной обмотке должен возрасти , восстанавливая начальное изменение магнитного потока . При этом увеличивается мощность, потребляемая трансформатором от сети.

Слайд 14

Если же вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление вторичной обмотки R 2 ( говорится о длине проводников из которых изготовлена обмотка, или о материале проводника, или о сечении и диаметре проводов обмотки ), то на выходе вторичной обмотки напряжение U 2 ' будет меньше расчетного напряжения U 2 на величину падения напряжения U = I 2 • R 2 на этом сопротивлении из-за потерь энергии тока на джоулево тепло. На выход (на нагрузку) Rн ''пойдет'' меньшее напряжение: U 2 ' = U 2 – U = U 2 – I 2 • R 2 Потери напряжения U находят по закону Ома для участка цепи: U = I 2 • R 2 , откуда (отмечаем, что такой же ток течет и в нагрузке Rн , так как R 2 и Rн соединены последовательно).По закону Ома для участка цепи сопротивлением , тогда напряжение на нагрузке:

Слайд 15

Учитывая, что можем всегда найти нужную величину напряжения или силы тока, количество витков в катушках. Использование трансформаторов. Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены очень сложно, однако незыблемым остается принцип их действия: '' изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого напряжения''. В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2–3%. на заводах и фабриках при подаче напряжения к двигателям станков 380–660 В. при передаче электроэнергии по проводам от 100 до 1000В; для электросварки и электроплавки; в радиотехнике; и др.

Слайд 18

Решение задач: Задача 1. Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока? Задача 2. Если сопротивление первичной обмотки, подключенной к источнику постоянного тока велико, то изменится ли напряжение во вторичной обмотке? Задача 3. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка трансформатора, чтобы повысить напряжение с 220 до 11000В, если в первичной обмотке 20 витков? Каков коэффициент трансформации? Задача 4. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение 105В? Задача 5. Мощность, потребляемая трансформатором, 90 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на зажимах вторичной обмотки 12 В и КПД трансформатора 75%. Задача 6. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть напряжением 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20В, ее сопротивление 1 Ом, сила тока 2А. Определите коэффициент трансформации и КПД трансформатора. Задача 7. Первичная обмотка трансформатора, включенного в цепь переменного тока с напряжением 220 В, имеет 1500 витков. Определить число витков во вторичной обмотке, если она должна питать цепь с напряжением 6,3В, при силе тока 0,5 А Нагрузка активная. Сопротивление вторичной обмотки равно 0,2 Ом. Сопротивлением первичной обмотки пренебречь.