Генерирование электрической энергии: Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. — О’Пять пО физике! – Генерирование электрической энергии — Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии — Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии

«Физика — 11 класс»

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.
Электроммеханические 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.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии — Трансформаторы — Производство, передача и использование электрической энергии

Генерирование электрической энергии. Трансформаторы

В данной теме речь пойдёт о способах генерирования электрической энергии. А также изучим устройство простейшего трансформатора.

Электромагнитная индукция – это явление заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. А полученный таким способом ток называется индукционным током.

Переменным называется ток, периодически изменяющийся со временем.

Для того чтобы в цепи существовал синусоидальный переменный ток, источник в этой цепи должен создавать переменное электрическое поле, изменяющееся синусоидально. На практике синусоидальная ЭДС создается генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.

Генераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую.

К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.д.

В настоящее время также исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Так, например, разрабатываются и уже частично используются топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую.

Область применения различных генераторов различна и определяется их характеристиками. Так, например, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но они не способны создать в цепи сколько-нибудь значимую силу тока. Гальванические же элементы наоборот могут дать большой ток, но продолжительность их невелика.

В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Такие генераторы позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В прошлой теме была рассмотрена простейшая модель такого генератора — рамка с током, вращающаяся в однородном магнитном поле вокруг своей оси.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей.

Ранее нами рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при его вращении в магнитном поле. На этом принципе и работает электромеханической генератор переменного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная магниту, называется статором, а вращающаяся, т. е. рамка, — ротором.

В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В рассмотренной нами ранее модели генератора, вращается проволочная рамка, играющая роль ротора.

Разумеется, можно было бы поступить и наоборот, т.е. вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. В больших промышленных генераторах приводится во вращение именно электромагнит.

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. 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. Ток к этой обмотке подводится через щетки и кольца от постороннего источника постоянного тока, называемого возбудителем.

На рисунке представлена полная схема 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.

Таким образом, 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.

Однако 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.

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. Однако 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 приданной мощности 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 кВ, от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 кВ.

Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатораустройства, служащего для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Первый трансформатор был изобретен в 1876 году русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света. 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.

Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукциив 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 во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея, оно будет определяться формулой

e = –Ф’

где Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

Если первичная обмотка имеет N1 витков, а вторичная N2 витков, то в обмотках индуцируются (без учета потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно e1 и e2, а их отношение будет равно

Т.е. возникающие в катушках ЭДС индукции (или самоиндукции) пропорциональны числу витков в них.

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, поэтому суммарная ЭДС индукции равна напряжению на зажимах вторичной обмотки.

Изменение мгновенных значений ЭДС происходит так, что они одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль, т.е. изменяются синфазно. Поэтому их отношения можно заменить отношением действующих значений этих ЭДС или отношением действующих значений напряжений.

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

В зависимости от того, какое значение принимает коэффициент трансформации, различают повышающий и понижающий трансформатор.

Его обычно определяют при холостом ходе трансформатора, т.е. при разомкнутой цепи вторичной обмотки.

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

При включении во вторичную цепь какой-либо нагрузки (это рабочий ход трансформатора) в ней начинает проходить ток нагрузки (он переменный и такой же частоты). Этот ток создает в сердечнике магнитный поток, направленный по правилу Ленца навстречу потоку первичной обмотки. В результате суммарный поток магнитной индукции в первичной катушке уменьшается, уменьшается и ЭДС, а, следовательно, сила тока будет увеличиваться. Это увеличение силы тока в первичной цепи приводит к увеличению магнитного потока, ЭДС индукции и силы тока во вторичной цепи. Но, как мы знаем, увеличение тока во вторичной цепи сопровождается увеличением тока самоиндукции и, следовательно, уменьшением магнитного потока который только что возрастал.

В конце концов, при постоянной нагрузке устанавливаются определенные магнитный поток, ЭДС индукции во вторичной цепи и ток в первичной цепи. Получается, что трансформатор сам, автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи.

При рабочем ходе трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную.

Мощность, потребляемая в первичной цепи, будет определяться формулой

а выделяемая на нагрузке

Коэффициент полезного действия трансформатора будет определяться отношением выделяемой мощности на нагрузке к потребляемой мощности в первичной цепи.

Однако не вся энергия, вырабатываемая генератором, передается потребителю. При работе трансформатора 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%, а сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Если иногда можно пренебречь потерями в трансформаторе, т.е. считать его коэффициент полезного действия равным 100%, то мощность, потребляемая в первичной цепи, будет равна мощности, выделяемой на нагрузке. Тогда отношение силы тока в первичной обмотке к силе тока во вторичной обмотке будет обратно пропорционально соответствующим напряжениям. А это значит, что увеличивая с помощью трансформатора напряжение, во столько же раз будем уменьшать силу тока и наоборот.

В настоящее время трансформаторы нашли широкое применение, как в технике, так и в быту. Например, для передачи электроэнергии на большие расстояния используются как повышающие, так и понижающие трансформаторы (об этом, кстати, мы более подробно будем говорить в одном из следующих уроков).При подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети до 5.5 В, пригодного для телефона. В телевизоре имеется несколько трансформаторов (как понижающих, так и повышающих), поскольку для питания различных его узлов требуется напряжение от 1,5 В до 25 кВ и так далее.

Основные выводы:

Генератор переменного тока – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

– В современной энергетике применяются индукционные генераторы, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции, и позволяющие получить большие токи при достаточно высоком напряжении.

– Конструкций индукционных генераторов существует достаточное количество, однако, неизменными в каждом из них, остаются ротор — подвижная часть генератора, и статор — неподвижная часть генератора.

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

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

– В зависимости от значения этого коэффициента, различают повышающий и понижающий трансформаторы.

Физика Генерирование электрической энергии. Трансформатор

Описание видеоурока

Электрическая энергия обладает огромными преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на большие расстояния с малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное, электроэнергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, световую.
Особенно большая необходимость в трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния. Переменный ток, его напряжение и силу можно в очень широких пределах преобразовывать почти без потерь энергии, то есть трансформировать. Такие преобразования необходимы во многих электро-и радиотехнических устройствах. 
Прежде всего ознакомимся с генераторами – устройствами, преобразующими энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и тому подобное оборудование.
Сегодня исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.  Например, термобатареи, где используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов. Разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую энергию. 
Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. К примеру, машины создают высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но их рабочее время невелико.  Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Так как только благодаря им сегодня вырабатывается потребляемая человечеством электрическая энергия.
В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую энергию. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции, и они имеют сравнительно простое устройство, что позволяет получать большие токи при достаточно высоком напряжении. 
В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей: электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС. Простейшая модель генератора —  это вращающаяся рамка из проводникового материал в магнитном поле). 
Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональная числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток.
Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется электродвижущая сила, — в пазах другого. Внутренний сердечник вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называется статором. Для увеличения потока магнитной индукции зазор между сердечниками статора и ротора делают маленьким. 
В изображенной на этом рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором. Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.
В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, находятся неподвижно в пазах статора. Подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь нужно при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные щетки из пластин прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротором с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Генерируемый ток снимают с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводят сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока —  возбудителем, который находится на том же валу.
Постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель. 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, возникающее из-за изменения магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока – это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. Важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Очень точное сочетание движущихся частей, которые порождают электрическую энергию непрерывно и экономично.
ЭДС мощных генераторов электростанций довольно велика. Между тем в практике чаще всего нужно не слишком высокое напряжение. Напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.
Трансформатор – это электрический аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения при условии сохранения частоты.  
Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции.
Павел Николаевич Яблочков положил начало техническому использованию трансформаторов, разработав однофазный трансформатор с разомкнутым сердечником и в 1876 году и впервые применил его для осветительной установки с электрическими свечами.
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 таково.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает электродвижущую силу индукции в каждой обмотке. 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 в любом витке первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея значение ЭДС есть производная потока магнитной индукции по времени. Если поток магнитной индукции эф выразить как произведение амплитуды переменного магнитного потока на синус или косинус фазы частоты колебаний и времени, то, следовательно, мгновенное значение ЭДС определяется произведением амплитуды ЭДС в одном витке на синус фазы частоты колебаний и времени.
Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет. В первичной обмотке, имеющей эн-1 витков с индукцией е-1, полная ЭДС индукции равна эн-1-е-1. Во вторичной обмотке витков эн-2, индукция е-2 полная ЭДС индукции равна эн-2-е-2.
Мгновенные значения ЭДС е1 и е2 изменяются синфазно. Это означает, что они одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль. Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих знаний этих электродвижущих сил. Получаем равенство отношений напряжений, значений ЭДС и витков на первичной и вторичной обмотках, которые можно обозначить переменной ка. Величина ка называется коэффициентом трансформации. При ка большим чем 1 трансформатор является понижающим, а при Ка меньше 1 трансформатор является понижающим.
Трансформатор состоит из нескольких катушек (обмоток), намотанных на каркас изолированным проводом, которые размещаются на магнитопроводе из тонких пластин специальной стали. Переменный электрический ток, текущий по одной из обмоток, называемой первичной, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле, пересекающее витки другой — вторичной — обмотки трансформатора, возбуждая в ней переменную электродвижущую силу. Достаточно к выводам вторичной обмотки подключить лампу накаливания, и в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток. Электрическая энергия передается из одной обмотки трансформатора в другую за счет связывающего обмотки переменного магнитного поля без непосредственного их соединения. 
Если обе обмотки имеют равное число витков, то во вторичной обмотке наведется такое же напряжение, какое подводится к первичной. Например, если подать на первичную обмотку трансформатора переменный ток напряжением 220 вольт, то и во вторичной обмотке тоже возникнет ток напряжением 220 вольт. Если обмотки разные — тогда и напряжение во вторичной обмотке не совпадает с напряжением, подаваемым на первичную обмотку. В повышающем трансформаторе вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней больше, чем на первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней меньше.  Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равной нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который уменьшает изменения магнитного потока в сердечнике. Но уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной обмотке. Однако это невозможно. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить 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 ко вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора приблизительно равна мощности во вторичной цепи. Значит, если повышать с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, во столько же раз уменьшается сила тока (и наоборот).
Задача 
Сила тока в первичной обмотке трансформатора 6 десятых ампер, напряжение на её концах 120 вольт. Сила тока во вторичной обмотке 4 целые и 8 десятых ампер, напряжение 12 вольт. Рассчитать КПД трансформатора. Решение.  КПД трансформатора определяется отношением мощности электрического тока на первичной обкладке к мощности тока на вторичной обкладке. Мощность определяется произведением силы тока на напряжение. Получаем, что КПД трансформатора составляет 25%.
Задача
Сколько витков содержится во вторичной обмотке трансформатора, понижающего напряжение с 120 вольт до 30 вольт, если в его первичной обмотке 200 витков? Решение.
Напряжение на концах обмотки трансформатора пропорционально количеству витков провода на обмотке. Составив и решив пропорцию, получаем, что во вторичной обмотке трансформатора находится 50 витков.
Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение приблизительно одинаково в первичной и вторичной обмотках.
В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 киловольт, мощностью до 1200 – 1600 мегавольт-ампер. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя используют преобразовательные трансформаторы.
В наше время уровень производства и потребления энергии — один из важнейших показателей развития производственных сил общества. При этом сама энергия не исчезает. Задача энергетики состоит лишь в получении энергии в форме наиболее удобной для потребления. Если потребление энергии в мире увеличивается в 2 раза примерно за 25 лет, то увеличение потребления электроэнергии в 2 раза происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что все больше и больше процессов переводится на электроэнергию. Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существуют два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические. Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов. На тепловых электростанциях источником энергии служит топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами для двигателей внутреннего сгорания.
 аиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно, ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны использует в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 киловатт-час электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. 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 составляет несколько тысяч в минуту. КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 5500 С и давление – до 25 мегапаскаль. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.  Тепловые электростанции – так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) — позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд (для отопления и горячего водоснабжения). В результате КПД ТЭЦ достигает 60-70%. В настоящее время в нашей стране ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией и теплом несколько сот городов.  На гидроэлектростанциях (ГЭС) используется для вращения роторов генераторов потенциальная энергия воды. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напор) и от массы воды, проходящей через турбину в секунду (расход воды). Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.  Значительную роль в энергетике играют атомные электростанции (АЭС). В настоящее время АЭС нашей страны дают около 10% электроэнергии. Нетрадиционные типы выработки электроэнергии осуществляют, используя энергию ветра, приливов и отливов, солнца, недр Земли, морских течений, космоса. Альтернативными (или возобновляемыми) источниками энергии (ВИЭ) называют источники энергии, позволяющие получать энергию без использования традиционного ископаемого топлива (нефти, газа, угля и т.п.). Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров. Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает электрическую энергию. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электричество.  Солнечная электростанция (СЭС) — инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Посмотрим на сравнительный анализ разных типов электростанций.
Главным потребителем электроэнергии является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводится на электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от государственных электростанций для производственных и бытовых нужд. О применении электроэнергии для освещения жилищ и в бытовых электроприборах знает каждый. Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию. Почти все механизмы в промышлености приводятся в движение электрическими двигателями. Они удобны, компактны, допускают возможность автоматизации производства. Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.). Современная цивилизация немыслима без широкого использования электроэнергии. Нарушение снабжения электроэнергией большого города при аварии парализует его жизнь.     
 

Презентация к уроку по физике (11 класс): Генерирование электрического тока. Трансформаторы

Слайд 1

Генерирование электрической энергии. Трансформатор. Выполнила: Юмабаева М. М. учитель физики МОУ «СОШ №38 им. В. И. Машковцева » г. Магнитогорск

Слайд 2

Практически вся жизнь человека в быту связана с электричеством. А что будет, если его не станет? Как наша прожила б планета, Как люди жили бы на ней Без теплоты, магнита, света И электрических лучей? А. Мицкевич

Слайд 3

Как вы думаете, какой теме будет посвящен сегодняшний урок?

Слайд 4

Преимущества электроэнергии перед всеми другими видами энергии Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями Удобно распределять между потребителями С помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Слайд 5

Электрический ток Переменным называется ток , периодически изменяющийся со временем. Переменный Постоянный

Слайд 6

Генераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую . Гальванические элементы электростатические машины термобатареи солнечные батареи

Слайд 7

Область применения различных генераторов различна и определяется их характеристиками: электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но они не способны создать в цепи сколько-нибудь значимую силу тока. Гальванические же элементы наоборот могут дать большой ток, но продолжительность их невелика.

Слайд 8

В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Такие генераторы позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

Слайд 10

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 .

Слайд 11

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях — с помощью водяной турбины.

Слайд 12

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 .

Слайд 13

Электрическую энергию производят на электростанциях

Слайд 14

Но ее каким-то образом надо передать потребителям, часто находящимся очень далеко от станции. Для этого между станцией и потребителем строят линии электропередач.

Слайд 15

Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя.

Слайд 16

Закон Джоуля-Ленца Уменьшение потерь Уменьшение сопротивления проводов Уменьшения силы тока в проводах Уменьшение удельного сопротивления Увеличение площади сечения Увеличение напряжение

Слайд 17

Волжская ГЭС Саяно-Шушенская ГЭС 13,8 кВ 15,75 кВ Москва 500 кВ 750 кВ

Слайд 18

Трансформатор — устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте. П. Н. Яблочков 26. 09. 1847 — 31. 03. 1894

Слайд 19

Устройство трансформатора

Слайд 20

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называют коэффициентом трансформации k . Если коэффициент трансформации: k 1 , то трансформатор понижающий Трансформатор сам, автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи. При рабочем ходе трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную.

Слайд 21

Применение трансформатора

Слайд 22

Меры, принимаемые для уменьшения потерь энергии в трансформаторе Сердечник делают замкнутым Обмотка низкого напряжения делается большего сечения Сердечник делают из изолированных пластин Коэффициент полезного действия современных трансформаторов достигает 95 — 99%, а сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Слайд 23

Применение трансформатора

Слайд 24

Применение трансформатора

Генерирование электрической энергии. Генератор переменного тока

Цели урока:

Обучающие:

  1. Показать преимущества электрической энергии перед другими видами энергии.
  2. Дать понятие о принципиальном устройстве генератора переменного тока.
  3. Осветить экологические проблемы, связанные с выработкой электроэнергии.

Развивающая: Развитие логического мышления, профессиональной лексики.

Воспитывающая: Воспитывать самосознание и настойчивость в овладении профессией.

Оборудование:

  • компьютер,
  • проектор,
  • источники тока – батарея карманного фонарика,
  • фотоэлемент,
  • модель генератора постоянного тока,
  • DVD — диск «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия»,
  • проверочный тест.

Тип урока: комбинированный, время проведения 40 минут.

Литература:

  1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика-11 — М.: Просвещение, 2004г., 335с.
  2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З.,Физика-11,- М.: Дрофа, 2002г.,288стр.
  3. Т.А.Демина, Экология, природопользование, охрана окружающей среды,- М., «Аспект Пресс», 1998г.,143с.
  4. DVD – диск: «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия».
  5. Газета «Физика», №21, 2003г, статья «Народонаселение и энергопотребление».

Основные этапы урока:

  1. Организационный момент (2 мин.)
  2. Актуализация опорных знаний (3-5 мин.)
  3. Изучение нового материала (15 мин.)
  4. Закрепление новой темы (5 мин.)
  5. Проверка знаний (10 мин.)
  6. Подведение итогов. (3 мин.)

Ход урока

  1. Организационный момент
  2. - приветствие, настрой деятельности на успех.(1 Слайд)

Здравствуйте ребята, сегодня тема нашего урока «Генерирование электрической энергии. Генератор переменного тока».

Эта тема созвучна с вашей профессией, вы будите изучать ее на уроках спецтехнологии, электротехники, на классном часе «Вы будущие энергетики» мы встречались со специалистами Сургутских ГРЭС, вы успешно прошли производственную практику, и многое уже знаете. Поэтому я рассчитываю на вашу помощь, заинтересованность. Надеюсь, что сегодня вы узнаете много нового и полезного.

  1. Актуализация опорных знаний
  2. – фронтальная беседа со студентами.

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

Вопрос: Что называют электрическим током?

Ответ: Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Вопрос: Какие вам известны источники тока?

Ответ: Аккумуляторы, батарейки и т. д.

У меня на столе всем известные источники тока: батарейка, фотоэлемент, модель индукционного генератора. Область применения каждого из перечисленных видов определяется их характеристиками. Давайте выясним, какие у них достоинства и недостатки и можно ли их применять повсеместно?

Химические источники тока: гальванические элементы; батареи аккумуляторов; ртутная батарейка, используемая в часах, калькуляторах и слуховых аппаратах, дает 1,4В; традиционная батарейка для карманного фонарика, дает 4,5 В. (демонстрация)

Достоинства – компактность, возможность использовать как автономный источник энергии.

Недостатки – небольшая энергоемкость, высокая стоимость энергии, недолговечность, проблема утилизации отходов.

Термоэлементы, фотоэлементы, солнечные батареи (демонстрация)

Достоинства – безмашинный способ получения энергии.

Недостатки – малый КПД, зависимость от погодных условий.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханические

индукционные генераторы постоянного и переменного тока.

Практически они дают всю используемую энергию. Какие они имеют достоинства, преимущества и недостатки, нам предстоит выяснить сегодня на уроке.

  1. Объяснение новой темы.

Так как мы сегодня изучаем генераторы переменного тока, давайте вспомним:

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. 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.

(2 слайд) Запишите в тетради преимущества переменного тока.

В современной энергетике применяются индукционные генераторы переменного тока, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции.

Вопрос: Вспомните, что такое электромагнитная индукция, и кто открыл это явление?

Ответ: Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении индукционного тока под действием переменного магнитного поля.

(3 слайд) После открытия этого явления многие скептики, сомневаясь, спрашивали: «Какая от этого польза?»

На что Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорожденного?»

Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р.Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

И этим богатырем, изменившим облик Земли, является генератор.

Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию (запишите определение в тетрадь).

(4 слайд)

Электрический ток вырабатывается в генераторах — Откройте учебник на странице 106 рисунок 97. Давайте вместе назовем и запишем в тетради, как устроен генератор, его основные части.

— Что обозначено цифрой 1,2,3,4,5,6,7?

  1. Ротор, вращающаяся часть генератора, создает магнитное поле от электромашины постоянного тока.

  2. Статор, состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов, пластины сделаны из электротехнической стали.
  3. Щетки, неподвижные пластины, прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.
  4. Кольца, чтобы подводить ток к ротору и отводить из обмотки ротора во внешнюю цепь при помощи скользящих контактов.
  5. Турбина, сочетание турбины с генератором переменного тока называется турбогенератором.
  6. Станина, корпус, внутри которой размещены статор и ротор.
  7. Возбудитель, генератор, вырабатываемый постоянный ток, который подводят к вращающему электромагниту.

В настоящее время существуют различные модификации индукционных генераторов. Но все они состоят, из одних и тех же, частей – это магнит или электромагнит, создающий магнитное поле, и обмотка в которой индуцируется ЭДС.

Один из сердечников (обычно внутренний) вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси – называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют – статором.

(5слайд)

Обратите внимание, в данной модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором, магнитное поле создает неподвижный, постоянный магнит. При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. ЭДС индукции, следовательно, имеет магнитное происхождение.

На многих электростанциях земного шара именно сила Лоренца вызывает появление тока. ε = εm sin ωt

(6 слайд)

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором. Обмотки, в которых наводится ЭДС, вложены в пазах статора – появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Из закона электромагнитной индукции следует: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Какова же должна быть скорость изменения магнитного потока, скорость вращения ротора, если в некоторых установках применяются токи в несколько килогерц и даже мегагерц? Для примера, попробуйте рассчитать скорость вращения ротора для стандартной частоты промышленного тока.

Чтобы ответить на данный вопрос, вспомните:

Вопрос: Чему равна частота промышленного тока?

Ответ: Стандартная частота промышленного переменного тока равна 50 Гц во многих странах мира, в США частота равна 60Гц, это означает, что на протяжении 1 с. ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в противоположную.

-Тогда сколько колебаний будет происходить в 1 минуту?

Умножим на 60 сек. получается 3000 об/мин. Такая скорость нереальна и чтобы уменьшить скорость вращения, используют многополюсный магнит.

Частота наводимой ЭДС определяется формулой ν = p*n,

где р – число пар полюсов индуктора, n – частота вращения ротора.

Так, роторы генераторов Угличской ГЭС на Волге имеют 48 пар полюсов, и скорость их вращения уменьшается, становится 62,5 об/мин.

(7 слайд)

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.

(8 слайд)

Ведь энергетика является одной из самых загрязняющих отраслей народного хозяйства. При неразумном подходе происходит нарушение нормального функционирования всех компонентов биосферы (воздуха, воды, почвы, животного и растительного мира), а в исключительных случаях, подобных Чернобылю, под угрозой оказывается и сама жизнь. Поэтому главным должен стать подход с экологических позиций, учитывающих интересы не только настоящего, но и будущего.

Между тем, ТЭС являются одними из основных загрязнителей атмосферы твердыми частицами золы, окислами серы и азота, а также углекислым газом, способствующим возникновению «парникового эффекта». Над городами образуются, так называемые острова тепла, из-за усиленного выброса энергии которых, нарушается нормальное течение атмосферных процессов. В сентябре этого года, мы все с вами были свидетелями образования торнадо над водохранилищем ГРЭС -2 в городе Сургуте.

(9 слайд)

Вопрос: Кто сможет объяснить это явление?

Ответ: Над поверхностью водохранилища образовался теплый воздушный фронт, в то время когда температура и давление окружающего воздуха были сравнительно низкими. Встреча, этих двух потоков и привела к образованию смерча.

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

Уже разрабатываются, так называемые топливные элементы, в которых энергия освобождается в результате реакции водорода с кислородом, получили широкое применение МГД – генераторы. Строят электростанции разного типа, геотермальные, ветряные, солнечные и т.д.

    1. Закрепление новой темы
    2. — решение качественных и количественных задач.

Какими бы ни были типы электростанций, главное устройство на любом из них – это генератор.

Вопрос: Что называют генератором?

Ответ: Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую.

Вопрос: Назовите основные части генератора.

Ответ: Ротор, статор.

Вопрос: Фонари по дороге стоят одиноко.

Десять герц – частота переменного тока.

Кто ответит мне ясно, без тени смущенья:

Этот ток применяют ли для освещения?

Ответ: Нет.

Вопрос: Генератор переменного тока имеет на роторе 6 пар полюсов. Какой должна быть частота вращения ротора, чтобы генератор вырабатывал ток стандартной частоты?

Ответ: (500 об/мин)

  1. Проверка знаний проверь соседа! (приложение 1, приложение 2)

А сейчас проверим, на сколько, вы усвоили данный материал. У вас на столах лежат тестовые задания по теме нашего урока и карточка, в которую вы заносите правильный ответ. Кто ответит правильно на 6 вопросов, получит «5», на 4-5 вопросов, оценку — «4», за 3 правильных ответа получит «3».

  1. Подведение итогов. (10 слайд)

Сегодня на уроке, мы с вами разобрали принцип действия генератора, этого внушительного сооружения из проводов, изоляционных материалов, стальных конструкций. Не перестаю удивляться, как при таких огромных размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготавливаются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать, электрическую энергию столь же непрерывно и экономично. А теперь постарайтесь ответить на вопрос, поставленный в начале урока.

— Какие достоинства и недостатки у генератора переменного тока?

О трехфазном генераторе вы узнаете на уроках электротехники, а к следующему уроку попрошу вас приготовить сообщение о новых, современных типах генераторов.

Выставление оценок в журнал. Домашнее задание. § 37 (учебник «Физика-11» Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев)

Спасибо за внимание. Всего хорошего. До свидания.

План-конспект урока по физике (11 класс) на тему: Генерирование электрической энергии. Трансформатор.

Генерирование электрической энергии. Трансформатор.

Тип урока:  урок изучения  нового  материала  на основе имеющихся знаний

Цель урока: изучение  использования  электроэнергии, начиная с процесса  её  генерирования.

Задачи  урока:

Образовательная: продолжение развития  УУД  через   изучение темы; создать условия для формирования  знаний учащихся о физических основах производства, передачи и использования электрической энергии; учащиеся должны знать основной способ  производства  электроэнергии, виды электростанций,  принципы  трансформации  тока  на  пути  от  производителя  к  потребителю; учащиеся должны уметь  объяснять схему передачи  электроэнергии.

Развивающая: создать условия для знакомства с использованием трансформаторов в повседневной жизни человека; создать условия для развивития: коммуникативных, толерантных качеств учащихся, операции логического мышления (анализ, синтез, сравнение) при изучении данной темы. Показать связь науки с техникой. Развитие  аналитических навыков (при выяснении расположения различных видов электростанций на территории России).

Воспитательная: создать условия для поддержания эмоциональной и доброжелательной атмосферы в классе во время урока; для воспитания  бережного отношения к  расходованию электроэнергии.

Оборудование: ПК, проектор, модели генератора и трансформатор, интернет, веб-камера.

ХОД УРОКА

1. Орг момент

2. Постановка  учебной  проблемы. Выяснение темы и целей урока.

Учитель: Практически вся жизнь человека в быту связана с электричеством. А что будет, если его не станет?

Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей?

А. Мицкевич

А, действительно, как бы жила планета? Ведь было время, когда люди жили без света. Трудно жили.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Затем уголь уступил лидерство на энергетическом рынке нефти. Благодаря открытию явления электромагнитной индукции, стало возможным получение электроэнергии с помощью генераторов.

Как вы думаете, какой теме будет посвящен сегодняшний урок?

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами 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 любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Какие цели поставим при изучении данной темы?

  1. Изучить физические основы производства, передачи и использования электрической энергии.
  2. Выяснить, какие существуют виды электростанций,  принципы  трансформации  тока  на  пути  от  производителя  к  потребителю.
  3. Изучить и объяснить схему передачи  электроэнергии.
  4. Будем развивать свои коммуникативные, толерантные качества, подключая операции логического мышления при изучении и передачи  материала одноклассникам.

3. Усвоение и актуализация новых знаний

Учащиеся разбиваются на группы и выполняют поиск информации, исследования, опыты, результаты которых готовятся представить в виде: презентаций, кластеров, опытов.

  1. Производство и использование электрической энергии.
  1. Генерирование электрической энергии
  2. Роль электрической энергии в жизни современного общества
  3. Виды электростанций
  1. Передача энергии на расстоянии
  1. Потери энергии на ЛЭП
  2. Трансформаторы
  1. Экологический аспект производства тока

Чтобы больше не было проблем,

Чтобы экономить максимально,

Чтобы больше не было дилемм,

Можно же решить проблему гениально?

Карта задание для работы в группе

Группа №1

Тема работы «Генерирование электрической энергии»

Цель работы:

  • изучить физические основы производства электрической энергии;
  • разобрать основное устройство генерирующих устройств.

Работу выполнить в форме презентации используя офисное приложение Microsoft Power Point. Для выполнения работы использовать ресурсы Интернета.

Минимальное содержание работы:

  1. Титульный слайд
  • Название работы
  • Кто выполнял
  1. История открытия явления электромагнитной индукции (кратко)
  2. Генератор
  • Определение
  • Основное устройство генератора
  • Типы генераторов  (переменный, постоянный ток)

Группа №2

Тема работы «Роль электрической энергии в жизни современного общества»

Работу выполнить в форме презентации используя офисное приложение Microsoft Power Point. Для выполнения работы использовать ресурсы Интернета.

Цель работы:

  • выяснить какую роль играет использование электрической энергии в жизни современного общества.

Минимальное содержание работы:

  1. Титульный слайд
  • Название работы
  • Кто выполнял
  1. «Роль электрической энергии в жизни современного общества»
  • Электрическая энергия в промышленности
  • Электрическая энергия в быту

Группа №3

Тема работы «Виды электростанций»

Работу выполнить в форме презентации используя офисное приложение Microsoft Power Point. Для выполнения работы использовать ресурсы Интернета.

Цель работы:

  • выяснить, какие существуют виды электростанций, и технологические схемы их работы.

Минимальное содержание работы:

  1. Титульный слайд
  • Название работы
  • Кто выполнял
  1. Виды электростанций

2.1 Гидро электро станции (ГЭС)

  • Основное устройство
  • Рабочий цикл
  1. Тепловые электро станции
  • Основное устройство
  • Рабочий цикл (технологические схемы)

2.2 Атомные электростанции

  • Основное устройство
  • Рабочий цикл

Группа №4

Тема работы «Трансформаторы»

Работу выполнить в форме презентации используя офисное приложение Microsoft Power Point. Подкрепить выступление демонстрацией с расчётом искомой величины. Для выполнения работы использовать ресурсы Интернета.

Цель работы: Изучить принцип трансформации электрического тока.

Минимальное содержание работы:

  1. Титульный слайд
  • Название работы
  • Кто выполнял
  1. Определение трансформатора
  2. Внешний вид трансформатора
  3. Графическое изображение трансформатора на электрической схеме
  4. Коэффициент трансформации
  5. Формула трансформатора

Экспериментальное задание:

  1. Собрать электрическую цепь

  1. Измерить напряжение на первичной обмотке и на вторичной.
  2. Определить коэффициент трансформации, разделив напряжение на вторичной обмотке на напряжение первичной обмотки.

Группа №5

Тема работы «Передача энергии на расстояния. Потери энергии на ЛЭП»

Работу выполнить в форме составления кластера. Для выполнения работы использовать ресурсы Интернета.

Цель работы: Изучить и объяснить схему передачи электрической энергии потребителю.

Минимальное содержание работы:

  1. С чем связаны потери энергии на линиях электропередач (ЛЭП)
  2. Общая схема передачи электрической энергии от производителя к потребителю.

Группа №6

Тема работы «Экологический аспект производства тока»

Работу выполнить в форме презентации используя офисное приложение Microsoft Power Point. Для выполнения работы использовать ресурсы Интернета.

Цель работы: Установить влияние промышленного производства электрической энергии на окружающую среду. Каким способом возможно уменьшение данного влияния на окружающую природу.

Минимальное содержание работы:

  1. Титульный слайд
  • Название работы
  • Кто выполнял
  1. Экологический аспект производства тока
  • Экологические угрозы от использования ГЭС
  • Экологические угрозы от использование ТЭС
  • Экологические угрозы от использования АЭС
  1. Альтернативные источники энергии
  • Солнечные
  • Ветровые
  1. Способы сбережения (экономии) электрической энергии.

4.Этап взаимного обучения полученными знаниями.

5. Рефлексия Тест.

6. Анализ теста.

7. Итог урока

Закончить свой урок я хочу опять словами А.Мицкевича:

Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей?

8. Домашнее задание. глава 5

Генерирование электрической энергии. Трансформаторы

Генератор переменного тока

Простейшим генератором переменного тока является рамка, вращающаяся с частотой ω между полюсами постоянного магнита

Поток магнитной индукции через рамку

Угол φ меняется со временем по закону 

Тогда

Генерируемая ЭДС равна производной от потока со знаком «-«:

Если между полюсами находится не один виток, а обмотка с N витками, то ЭДС

Генерируемое во внешней цепи напряжение и сила тока

Устройство генератора и изменение ЭДС со временем

  

Если снимать напряжение с нескольких выводов, то можно получить многофазный ток:

Передача электроэнергии

Электрическая энергия обычно производится далеко от тех мест, где она будет потребляться. Для передачи электроэнергии строятся линии электропередач, в которых необходимо минимизировать потери.

При протекании тока по проводам в них выделяется тепло, мощность которого зависит от силы тока:

по закону Джоуля-Ленца Q = I2Rt

Для уменьшения потерь нужно уменьшить силу тока. При неизменной передаваемой мощности P = IU необходимо повысить напряжениепеременного тока, для чего и служит трансформатор.

Трансформатор

Трансформатор — это устройство для преобразования напряжения переменного тока.

    

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 εi в любом витке и первичной, и вторичной обмоток одинаково: ε1 = ε2.

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

Работа трансформатора на холостом ходу

Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения, а вторичную оставить разомкнутой, (этот режим трансформатора называют холостым ходом), то тока в ней 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.

ε ~ N

При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U2 будет равно наводимой в ней ЭДС ε2.

U2 ≈ ε2

В первичной обмотке ЭДС Е1 по числовому значению мало отличается от подводимого к этой обмотке напряжения U1, практически их можно считать равными.

U1 ≈ ε1

Величина, показывающая, во сколько раз данный трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации.

При подаче на первичную обмотку трансформатора какого-либо напряжения U1 на вторичной обмотке мы получаем на выходе U2. Оно будет больше первичного, если обмотка содержит больше витков, чем первичная.

Итак, если N2 > N1, то U2 > U1, коэффициент трансформации k < 1 и трансформатор называется повышающим.

Если N2 < N1 и U2 < U1, то k > 1 и трансформатор называется понижающим.

Если обмотки не содержат активного сопротивления или им можно пренебречь, то коэффициент полезного действия трансформатора близок к 100%:

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, что в свою очередь, приведет к уменьшению 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.

Если вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление вторичной обмотки R2 (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 U2‘ будет меньше расчетного напряжения U2 на величину падения напряжения ΔU = I2·R2 на этом сопротивлении из-за потерь энергии тока на джоулево тепло. На выход (на нагрузку) Rн  пойдет меньшее напряжение:

U2‘ = U2 – ΔU = U2 – I2·R2

Потери напряжения ΔU находят по закону Ома для участка цепи: ΔU = I2·R2, откуда 

(отмечаем, что такой же ток течет и в нагрузке Rн, так как R2 и Rн соединены последовательно).

Напряжение на нагрузке по закону Ома для участка цепи сопротивлением , тогда 

Учитывая, что   можем всегда найти нужную величину напряжения или силы тока, количество витков в катушках.

Тогда КПД мпределяется как

Использование трансформаторов

Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены очень сложно, однако всегда 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.

                                     

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *