Дополнительный материал к уроку
методическая разработка по физике

Лекция № 1

Тема: Генерирование электрической энергии. Трансформаторы.

1. Генерирование электрической энергии.

Электрическую энергию можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями.

С помощью простых устройств электрическую энергию легко превратить в другие формы энергии: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно преобразовывать почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы при передаче электроэнергии на большие расстояния и во многих электро- и радиотехнических устройствах.

Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы (дают большой ток, но продолжительность их действия невелика), электростатические машины (создают высокую разность потенциалов, но не способны создать большую силу тока), термобатареи, солнечные батареи и т. п.

Электромеханические индукционные генераторы переменного тока

В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую.

Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. 

Электромеханические генераторы имеют простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

Такой генератор состоит из:

электромагнита или постоянного магнита, создающего магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС (вращающаяся рамка).

Так как ЭДС, наводимые в каждом из витков, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков.  Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток.

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали.

Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращают вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором.

Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим  для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной модели генератора вращают проволочную рамку, которая является ротором (но без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит.

Хотя, можно и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными.

Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. 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. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

2. Трансформаторы.     Назначение трансформаторов

Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности.

Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света. Позднее эти устройства получили название трансформаторов. Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок.

                            Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

Условное обозначение трансформатора на электрических схемах

Трансформатор на холостом ходу

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году.

Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток.

При питании катушки от источника постоянного тока ток во второй катушке существует только в моменты изменения тока в первой катушке, а на практике - при замыкании и размыкании цепи первой катушки.

Для длительного существования тока необходимо непрерывно изменять ток в первой катушке. А это возможно, если соединить ее с источником переменного напряжения. При синусоидальном характере тока в первой катушке ток во второй катушке будет также синусоидальным.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в 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 е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф'     ,где

Ф' — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N1 витков, полная ЭДС индукции

e1 = N1e

Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции

e2 = N2e    ,где

N2 — число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что  

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, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль. Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений

        Отношение напряжений на обмотках при работе трансформатора на холостом ходу (без нагрузки) называется коэффициентом трансформации - К.

Трансформаторы используются как для повышения напряжения, так и для понижения, т.е. могут быть повышающими и понижающими.

Если К>1, то трансформатор является понижающим, если К<1, то трансформатор - повышающий.

Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, т.е. нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю.

Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока не произойдет, так как

 Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

            Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой.

При подключении нагрузки ко вторичной цепи КПД трансформатора близок к 100%.

             Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

При повышении с помощью трансформатора напряжения в несколько раз, сила тока во столько же раз уменьшается (и наоборот).

            Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках

           Чтобы уменьшить нагревание сердечника, его собирают из отдельных стальных пластин, которые изолируются друг от друга бумагой, лаком или окисью металла сердечника.

            В трансформаторах малой мощности применяют круглые тороидальные сердечники из стальных колец или стальной ленты.

             Для повышения КПД в трансформаторах обмотки высокого и низкого напряжения располагают на одних и тех же стержнях. В радиотехнике обмотки часто наматываются на средний стержень.

При работе трансформатора обмотки нагреваются, для их охлаждения мощные трансформаторы помещают даже в баки с жидким маслом (масляные трансформаторы).

Трансформаторы широко используют в радиоаппаратуре, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач, для этого строятся трансформаторные подстанции.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ:

Изучить лекцию и составить конспект по следующим вопросам.

1. Какое преимущество имеет переменный ток в отличие от постоянного тока?
2. Опишите устройство электромеханического индукционного генератора переменного тока.
3. Каково назначение трансформатора?
4. Каково устройство трансформатора?
5. Что называют коэффициентом трансформации?

Лекция № 2

Тема: Практическая работа № 10 «Трансформатор. Решение задач»

ИНСТРУКЦИОННО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА

на выполнение практической работы № 11

по дисциплине «Физика»

Тема: Трансформатор.

Цель работы: изучить назначение, устройство и принцип действия трансформатора.

Задание:

1. Опишите устройство трансформатора.
2. Охарактеризуйте принцип действия трансформатора.
3. Какого значения достигает КПД современных трансформаторов? Благодаря каким мерам?
4. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора?
5. Какой трансформатор называется повышающим, а какой понижающим напряжение?
6. Перечислите  сферы использования трансформаторов.
7. Решите задачи:

Задача 1. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка трансформатора, чтобы повысить напряжение с 220 до 11000В, если в первичной обмотке 20 витков? Каков коэффициент трансформации?

Задача 2. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение 105В?

Задача 3. Мощность, потребляемая трансформатором, 90 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на зажимах вторичной обмотки 12 В и КПД трансформатора 75%.

Задача 4. 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.

8. Сделайте вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы:

1. Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока?
2. Почему нагруженный трансформатор гудит?

Тема: Передача электроэнергии на большие расстояния.

1.Производство электроэнергии

Производится электроэнергия на электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов.

Существует два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические.

Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.

• На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы.

Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Тепловые паротурбинные электростанции - ТЭС наиболее экономичны.

В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту. КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела (пара, газа). Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Тепловые электростанции — ТЭЦ позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд. В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%.

В России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией сотни городов.

• На гидроэлектростанциях - ГЭС для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды.

Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность такой станции зависит от создаваемого плотиной напора и массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду. Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

• Атомные электростанции - АЭС в России дают около 10% электроэнергии.

Использование электроэнергии

Главным потребителем электроэнергии является промышленность - 70% производимой электроэнергии.  Крупным потребителем является также транспорт. Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию, т.к. почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями.

Передача электроэнергии

Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

        ,где

R — сопротивление линии,

U — передаваемое напряжение,

Р — мощность источника тока.

      При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно, поэтому приходится уменьшать силу тока I. Так как мощность источника тока Р равна произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи. Для этого на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.

        Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока. Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие 16—20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.  Далее для непосредственного использования электроэнергии потребителем необходимо понижать напряжение.

        Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Понижение напряжения (и соответственно увеличение силы тока) осуществляются поэтапно. При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными. Электрические станции объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность распределять нагрузки потребления энергии. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям. Сейчас в нашей стране действует Единая энергетическая система европейской части страны.

Использование электроэнергии

        Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту. Удовлетворить эту потребность можно двумя основными способами. Первый — строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и атомных. Однако строительство крупной электростанции требует нескольких лет и больших затрат. Кроме того, тепловые электростанции потребляют не возобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ. Одновременно они наносят большой ущерб равновесию на нашей планете. Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом. Второй - эффективное использование электроэнергии: современные люминесцентные лампы, экономия освещения. Большие надежды возлагаются на получение энергии с помощью управляемых термоядерных реакций. Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования электроэнергии, а не повышению мощности электростанций.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ:

Изучить лекцию и составить конспект по следующим вопросам.

1. Охарактеризуйте  два основных типа электростанций.

2. Каким образом осуществляется передача электрической энергии на большие расстояния.