"Получение переменного тока" урок в 9 классе
учебно-методический материал по физике (9 класс) на тему

Тема урока  -   Получение и передача переменного электрического тока. Трансформатор.

Название предмета - физика

Класс  - 9

Цель урока – создание условий для формирования представлений о переменном электрическом токе; трансформаторе.

 Задачи урока –

Выяснить условия существования переменного тока; познакомиться с устройством трансформатора, рассмотреть принцип его действия, достоинства, практическое применение.

Развивать устную речь обучающихся через организацию диалогического общения на уроке, формировать умение выражать свои мысли в грамматически правильной форме.

Формировать положительную мотивацию к учебе и повышение интереса к знаниям. 

Планируемые результаты -  

Знать устройство генератора переменного тока, устройство и принцип действия трансформатора.

Техническое обеспечение урока - компьютер, мультимедийный проектор, трансформатор разборный.

Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока (возможны ссылки на Интернет-ресурсы) –http://class-fizika.narod.ru/vid.htm

План урока

1. Организационный момент. Повторение.
2. Опрос по домашнему заданию.
3. Объяснение нового материала.
4. Закрепление материала.
5. Домашнее задание.
6. Подведение итогов урока.
7. Рефлексия.

Содержание урока

1. Организационный этап

Взаимное приветствие учителя и обучающихся; проверка отсутствующих по журналу.

2. Актуализация субъектного опыта обучающихся

Фронтальная беседа с учащимися.

На прошлых уроках мы с вами говорили о таком явлении, как электромагнитная индукция.

Вспомним:

1. в чем заключается явление электромагнитной индукции?
2. Отметим еще раз при каких условия возникает индукционный ток?
3. чем отличается индукционный ток от тока, полученного от гальванического         элемента или аккумулятора?
4. от чего зависит величина и направление индукционного тока?
5. Как получить значительный индукционный ток?
6. при каких условиях магнитный поток максимален, минимален?
7. Как заставить магнитный поток меняться?

Видео (рамка в магнитном поле)

Итак, при вращении рамки в магнитном поле количество магнитных линий, пронизывающих рамку меняется, т. е. меняется магнитный поток. В рамке возникает ток, который меняет свое направление. Концы вращающейся рамки закреплены внутри половинок кольца, разделенного на 2 части. Щетки касаются этих колец и уже к щеткам подключена электрическая цепь. За один поворот рамки направление индукционного тока меняется дважды.

Эта система является источником переменного тока. Полюсами этого источника являются щетки, за один поворот рамки знак полюса меняется дважды, каждая щетка успевает побыть 1 раз положительным и1 раз отрицательным полюсом.

Яркость свечения лампочки не зависит от направления индукционного тока, если рамка вращается быстро, то наши глаза не замечают мерцания лампочки.

3. Изучение новых знаний и способов деятельности (работа со слайдами презентации)

Сегодня на уроке мы обсудим получение переменного тока, его преобразование и передачу на расстояние.

Записываем тему урока, начнем с определения: что такое переменный ток?

Учащиеся дают варианты определения

Записываем: Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Обратите внимание на график переменного тока, как он меняется? Анимация 

Учащиеся (по закону синуса или косинуса)

В осветительной сети наших домов и во многих отраслях промышленности используется именно переменный ток.

Постановка проблемы.

Вопросы урока

1.  Как же получить переменный ток в промышленных масштабах?
2. Как без потерь передать переменный ток потребителю?

На сегодняшний день вся промышленность использует именно переменный электрический ток.

Объясняется это тем, что очень удобно, во-первых, получить переменный электрический ток, а во-вторых, удобно передавать его на большие расстояния. Вот поэтому в мире везде и всюду используется именно переменный ток.

В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т. е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

Итак, современный генератор представляет собой довольно сложное устройство, но в основном состоит он из двух частей – ротора и статора.

Неподвижная часть генератора, аналогичная контуру, называется статором, а вращающаяся, т. е. магнит, — ротором.

В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Запишем: 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. Ток к этой обмотке подводится через щетки и кольца от постороннего источника постоянного тока.

На рисунке вы видите полную схему 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.

Стандартная частота переменного тока, применяемого в промышленности и осветительной сети в России и многих других странах, равна 50 Герц. Этот выбор был сделан с участием русского ученого Михаила Осиповича Доливо-Добровольского.

Частота в 50 Герц означает, что на протяжении 1 секунды ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в другую.

В США по рекомендации известного ученого Тесла, работавшего в фирме Вестингауз, основным производителем тогда электромагнитной техники, стандартная частота переменного тока равна 60 Герц.

И так, как мы выяснили, 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 (сокращенно ЛЭП).

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.

Как уменьшить потери электроэнергии?

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.

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 при данной мощности (Пэ равно У умноженное на И) 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 килоВольт, от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 килоВольт. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 килоВольт.

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 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым. 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.

Ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который возбуждает ток самоиндукции в каждом витке первичной катушки. Этот же магнитный поток пронизывает витки вторичной катушки и создает в каждом ее витке индукционный ток.

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

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

Коэффициент трансформации определяется обычно при холостом ходе трансформатора, т.е. при разомкнутой цепи вторичной обмотки.

Теперь вернемся к вопросу о передаче электроэнергии от электростанции к месту ее потребления. Как мы говорили ранее, напряжение, вырабатываемое генератором, обычно не превышает 25 киловольт. А для оптимальной передачи электроэнергии на большие расстояния требуется напряжение порядка сотен киловольт. Поэтому ток с электростанции сначала подается на расположенную неподалеку повышающую трансформаторную подстанцию, где напряжение повышается до нескольких сотен киловольт, и под таким напряжением подается в линии электропередач. Поскольку такое высокое напряжение не может быть предложено потребителю, то в конце линии его подают поочередно на несколько трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до 380 Вольт или 220 Вольт, а затем — на предприятия или в жилые дома.

Однако не вся энергия, вырабатываемая генератором, передается потребителю. Часть энергии тратится еще при ее производстве. Также, энергия теряется непосредственно в линии электропередач. При работе трансформатора так же 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%.

Следует добавить, что трансформаторы нашли широкое применение в быту. Например, при подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети и равное 220 Вольт, до 5.5 Вольт, пригодного для телефона. В телевизоре имеется несколько трансформаторов (как понижающих, так и повышающих), поскольку для питания различных его узлов требуется напряжение от полутора Вольт до 25 киловольт.

4. Закрепление материала

 Вопросы:

1.Какой электрической ток называется переменным?

2.Где используют переменный электрический ток?

3.На каком явлении основано действие наиболее распространенных в настоящее время генераторов переменного тока?

4. Из каких основных частей состоит генератор?

5.Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции? на гидроэлектростанции?

6. Для чего используют трансформатор?  
7. Какова стандартная частота промышленного тока, применяемого в России и многих других странах?

Работа в парах.

Учащимся предлагается выполнить тест из пяти основных и одного дополнительного вопроса.

Проверка результатов теста.

1. В;      2. А, В;      3. А, В;      4. Б, В;      5, А, В;      6. А, В.

5.Обобщение и систематизация

Вспомним главное, что мы узнали сегодня на уроке.

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

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

6. Домашнее задание §42, упражнение 39

7. в заключении урока мини проект об изобретателе трансформатора.