Конспект урока «Электромагнитные волны. Передача и распределение энергии. Трансформатор» по физике

Урок № 50-169Электромагнитные волны. Передача и распределение энергии. Трансформатор.

Основные типы электро­станций - тепловые (ТЭС) и гидроэлектрические (ГЭС) — различаются характером двигателей, вра­щающих роторы генераторов.

Передача электроэнер­гии. Процесс представлен на рис 103

Чем длиннее линия электропе­редачи, тем выгоднее ис­пользовать большие напряжения. Генераторы пере­менного тока выдают на­пряжения, не превышаю­щие 20 кВ. Поэтому на электростанциях ставят повышающие трансформаторы, увеличивающие напряже­ние и во столько же раз уменьшающие силу тока. Для подачи потребителю электроэнергии нужного напряжения на концах линии ставят понижающие трансформаторы. Понижение напряжения осу­ществляется поэтапно.

Трансформатор –устройство для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз

практически без потери мощности

Устройство: две катушки (обмотки) на общем ферромаг­нитном сердечнике:

N₁ — число витков первичной обмотки N₂ — число витков вторичной обмотки

Режим холостого хода (нет нагрузки, т.е. I₂=0). Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной ин­дукции. При прохождении перемен­ного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуж­дает ЭДС 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 е в любом витке первич­ной или вторичной обмотки оди­наково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой: е =– Ф', (1)

где Ф' — производная потока маг­нитной индукции по времени.

Если Ф = Ф_mсоsωt, то Ф'= – ω Ф_msinωt (2) Следовательно, е= ω Ф_msinωt или е = ε_msinωt , (3)

где ε_m= ω Ф_m — амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей N₁ витков, полная ЭДС индукции е₁ равна N₁e.

Во вторичной обмотке полная ЭДС е₂ равна N₂e (N₂ — число витков этой обмотки).

Отсюда следует, что = (4)

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен мо­дулю ЭДС индукции: |u₁|≈|е₁|. (5). При разомкнутой вторичной об­мотке трансформатора ток в ней не течет и имеет место соотношение: |u₂|≈|е₂|. (6)

Мгновенные значения ЭДС е₁ и е₂ изменяются синфазно (одно­временно достигают максимума и од­новременно проходят через нуль). Поэтому их отношение в формуле (4) можно заменить отношением действующих значений ε₁и ε₂ этих ЭДС или, учитывая равенства (5) и (6), отношением действующих значений напряжений U₁ и U₂: ===K; К - коэф­фициент трансформации.

К> 1 - трансформатор по­нижающий, K

Режим рабочего хода (есть нагрузка, т.е. I₂≠0).

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потреб­ляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появив­шийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить 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, так как согласно (5) |u₁|≈|е₁|. 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, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи: U₁I₁=U₂I₂ (8) Отсюда =; это означает, что, повышая с помощью трансформатора напря­жение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). Коэффициент полезного действия трансформатора η определяется по формуле: η = 100 %

Шкала электромагнитных волн.

Экзаменационные задачи (1-3)

№ 1.Сколько витков во вторичной обмотке трансформатора, если в первичной 20 витков, а трансформатор изменяет напряжение от 200 В до 1000 В?

№ 2.Сила тока во вторичной обмотке трансформатора 0,5 А, напряжение на ней 200 В. Чему равна сила тока в первичной обмотке, если напряжение на ней 10 В?

№ 3. Трансформатор включён в сеть с напряжением 1000 В и потребляет от сети мощность, равную 400 Вт. Каков КПД трансформатора, если во вторичной обмотке течёт ток 3,8 А, а коэффициент трансформации равен 10?

№ 4. В первой обмотке трансформатора протекает ток, равный 1,5 А, а во второй 8,28 А. Найдите КПД трансформатора, если коэффициент трансформации равен 6

№ 5. В первичной обмотке трансформатора напряжение 220 В, во вторичной – 660 В. Число витков в первичной обмотке 850. Определить число витков во вторичной обмотке и коэффициент трансформации.

№ 6. Трансформатор повышает напряжение с 220 В до 3000 В. Во вторич­ной обмотке протекает ток 0,1 А. Определить силу тока в первичной обмотке, если КПД трансформатора составляет 96 %.

http://rusevents.pro/