Урок решения задач по теме "Трансформаторы

Урок решения задач по теме "Трансформаторы

"Организационно – мотивационный этап (10 мин).

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производит­ся же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и водных ресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток вызывает их нагревание (Слайд 1)

Как бы вы предложили решить данную проблему?

1) При помощи увеличения размеров поперечного сечения проводника увеличить передаваемое напряжение, при этом уменьшая его сопротивление ().

Данное решение проблемы является невыгодным, так как требуются огромные затраты для изготовления нового кабеля и опор.

2) Необходимо уменьшить силу передаваемого тока при условии постоянного значения мощности.

(Слайд 2) Осуществить это можно при помощи прибора, который называется трансформатор.

(Слайд 3) Тема урока – «Трансформаторы».

(Слайд 4) Целью урока является рассмотрение устройства, принципа действия прибора и практического использования трансформатора.

На уроке мы изучим новую тему с использованием материалов электронного издания, решим задачи и в конце урока выполним задание в тестовой форме на компьютере.

Работать в течение урока будете на листах. Ваша задача заключается в заполнении 2 столбца таблицы (Приложение 1). Для того изучения нового материала необходимо ответить на вопросы:

1) В чём заключается явление электромагнитной индукции?

2) Дайте понятие магнитного потока и запишите формулу для его расчёта.

3) Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

4) Какой ток называется переменным?

Изучение нового материала (25 минут)

Немного истории…

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

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

В 1848 году французским механиком Г. Румкорфом была изобретена индукционная катушка – прообраз трансформатора. (Слайд 6)

(Слайд 7) в 1878 году использовал трансформатор для питания «электрических свечей» - нового в то время источника уличного света. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник.

(Слайд 8) Идея Яблочкова была развита сотрудником Московского университета Усагиным Иваном Филлиповичем.

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

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

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

В 1889 году русский электротехник -Добровольский вместе с предложенной им трехфазной системой переменного тока создал первый трехфазный трансформатор. (Слайд 9)

(Слайд 10) Трансформатор – это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока, при котором напряжение уменьшается или увеличивается в несколько раз практически без потерь мощности

(Слайд 11) А теперь познакомимся с устройством трансформатора. На столах лежат макеты трансформаторов, внимательно рассмотрите их, укажите основные элементы трансформатора.

Ответы обучающихся:

Замкнутый стальной сердечник, состоящий из отдельных пластин.

Вопрос: Для чего сердечник изготавливают из пластин?

Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нём индукционных токов. Изготовление его из тонких стальных листов, изолированных друг от друга, приводит к значительному увеличению электрического сопротивления и уменьшению потерь на нагревание.

1)  Катушки с проволочными обмотками - две, иногда более;

1– первичная – подключается к источнику переменного напряжения, 2- вторичная - к потребителю

(Слайд 12) Обозначение трансформатора в цепи:

Самостоятельная работа учащихся с ЭИ «Физика в школе » Получение и передача электроэнергии ( Слайд 13)

1)  Ознакомится с инструкцией по работе;

2)  Заполнение таблицы.

Закрепление материала: (Слайды 14-18)

1) Проверка заполнения учащимися таблицы при повторении (10 минут).

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

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

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

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

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

Отсюда следует, что

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

u1 + e1 = i1 R1,

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

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

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

k – коэффициент трансформации.

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

Демонстрация опыта:

Показываю опыт с 2 лампами накаливания и понижающим трансформатором. Предлагаю обучающимся объяснить его.

(Слайд 19) Нагруженный трансформатор

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

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

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

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

(Слайды 20 -22) Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Существует два типа трансформаторов: бытовые и силовые

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

В бытовой технике используют понижающие трансформаторы.

Силовые трансформаторы используют в линиях электропередач.

Мощные трансформаторы помещают в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Трансформаторы бывают:

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

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

2) Решение задач (25 минут)

(Приложение 2)

Контроль знаний (5 минут):

Выполнение на компьютере задания в тестовой форме. После выполнения задания у каждого обучающегося на экране результат работы. (Приложение 3)

Рефлексия (2 минуты) Откройте на рабочем столе документ «Моя оценка урока» и выберете тот трансформатор, который соответствует вашей работе на уроке (Приложение 4).

Подведение итогов урока.

Краткие итоги урока, оглашение результатов работы.

Домашнее задание §38 упр. 5. Подготовьте сообщение о учёном, принявшем участие в изобретении трансформатора.

Приложение 1

Таблица для заполнения обучающимися

Понятия	Определение
Трансформатор – это…
Кем был изобретён трансформатор	1) 2)
Устройство трансформатора	1) 2) 3)
Обозначение трансформатора в цепи
На каком явлении основан принцип действия?
Трансформатор на холостом ходу а)Чем характеризуется трансформатор? Б) Какие трансформаторы бывают (в зависимости от коэффициента)
Работа нагруженного трансформатора
Где применяют трансформаторы

Приложение 2

Инструкция по работе с электронным изданием:

«Физика в школе» - электронные уроки– "Получение и передача электроэнергии»

Задание 1

1.  В электронном изданий «Физика в школе: Выработка и передача энергии» зайди в папку «Содержание»→Тема 5 «Структура трансформаторов и принципы их работы». Передвижение по уроку осуществляется кнопкой на нижней панели в управлении уроком

2.  Прочитай материал пунктов:

·  Как трансформаторы работают

·  Для чего используют трансформаторы (холостой ход трансформатора)

·  Потери энергии (нагруженный трансформатор)

·  Выводы

Материал занеси в таблицу.

Задание 2. Решите любые 3 задачи:

Задачи по теме «Трансформаторы»

1. Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока?

Когда трансформатор подключается к источнику переменного тока, у него есть некоторое сопротивление (ток в первичной обмотке меняется по величине и направлению, соответственно, некоторая энергия уходит на то, чтобы постоянно перемагничивать сердечник) . Соответственно, сила тока не слишком велика, и выделение тепла вполне штатное. 

А вот если подключить трансформатор к источнику постоянного тока, сопротивление будет только то, что имеет проволока первичной обмотки (очень небольшое) . По существу, Вы просто закоротите источник постоянного тока. Со всеми вытекающими из этого последствиями.

Постоянный ток не трансформируется. То есть получится, что подаешь напряжение как на электромагнит (если много витков на обмотке) или как на КЗ (если витков не так много); в любом случае лучше этого не делать так как либо сгорит трансформатор, либо источник питания.

2. Как определить число витков обмотке трансформатора, не нарушая обмоток? Есть в наличии несколько метров проволоки, разборный трансформатор, вольтметр.

Надо надеть на сердечник трансформатора один виток обмотки. Подключив обмотку к известному напряжению U1, измерить напряжение U2. Можно определить число витков: N=U1/U2.

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

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

Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 300 витков, включен в сеть с напряжением 220 В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включен резистор сопротивлением 50 Ом. найдите силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней равно 50 В

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

На первичную обмотку понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 10 подается напряжение 220 В. При этом на вторичной обмотке, сопротивление которой 2 Ом, течет ток силой 4 А. Пренебрегая потерями в первичной обмотке, определить напряжение на выходе трансформатора. 

Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 10 включена в сеть с напряжением 120 В. Сопротивление вторичной обмотки 1,2 Ом, ток во вторичной цепи 5 А. Определить величину сопротивления нагрузки трансформатора и напряжение на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной цепи пренебречь.

Приложение 3

Задание в тестовой форме по теме "Трансформаторы"

1 вариант

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

1)только увеличивается без потерь мощности;

2)уменьшается в несколько раз без потерь мощности;

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

4)не изменяется;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3) самоиндукции;

4) генерирования;

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

1)с помощью электромагнитных волн;

2)по воздуху;

3)с помощью силы Лоренца;

4) помощью переменного магнитного поля, пронизывающего обе катушки;

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

1)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 1000, трансформатор повышающий;

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

4)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор понижающий;

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

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

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

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

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

2 вариант

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

1)постоянный ток;

2)изменяющееся электрическое поле;

3)переменный ток;

4)среди ответов нет правильного;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3)генерирования;

4)самоиндукции;

3.В каком случае трансформатор является повышающим?

1) k =1;

2) k = 0;

3) k > 1;

4) k < 1;

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

1) Коэффициент трансформации равен 8,трансформатор повышающий;

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

3) коэффициент трансформации равен 4,трансформатор понижающий;

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

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

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

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

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

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

Эталон правильных ответов

Вариант	Ответы к вопросам
1	2	3	4	5
1	3	2	4	4	2
2	3	2	4	4	2

Приложение 4

Моя оценка урока

Понижающий Разделительный Повышающий

(не разобрался в теме урока) (разобрался в теме урока) (разобрался в теме урока, буду изучать тему в дальнейшем)

Список литературы:

1.  , . Физика, учебник 11 кл. - М.: Мнемозина, 2012. -272 с.

2.  , Буховцев . Учебник для 11 кл.- М.: Просвещение,1999 - 254 с.

Интенет - источники:

http://www. physics. ru

http://www. elconnect. ru

http://.

images.yandex.ru