Оформление магнитной доски

Сэкономить Его Величество
Драгоценное электричество,
Передать его потребителю,
Не прослыв при этом губителем, –
Трансформатора назначение.
Изменяет силу тока и напряжение,
Мощность же не меняет –
Верность себе сохраняет.

Цели урока (для учащихся): конкретизировать и закрепить теоретические знания по теме, экспериментально подтвердить факты теории; расширить знания учащихся.

Задачи урока (для учителя): организовать коллективную работу класса, опираясь на индивидуальную работу каждого ученика.

Приборы и материалы: трансформатор разборный; осциллограф; сварочный аппарат (учебный); штатив, лампа на панели, ключ, соединительные провода; таблица (самодельная) «Трансформатор»; модель трансформатора (на столе учителя); карточки (распечатаны); кодоскоп; тесты и таблички для ответов (распечатаны).

Ход урока

1. Вступление

Учитель. Ребята, сегодня у нас урок-семинар по теме «Трансформатор». Работать будем так. Делимся на три группы: первая и третья группы сформированы заранее по предложению учителя и желанию учащихся, т.к. они готовят сообщения и опыты до урока; вторая группа – «Практики» – формируется на уроке, т.к. она готовит решения задач непосредственно во время работы. 1-я группа – «Экспериментаторы и комментаторы» – покажет и прокомментирует опыты, демонстрирующие работу трансформатора, роль сердечника в трансформаторе и расскажет об одном из применений этого устройства; 2-я группа – «Практики» – подготовит задачи для решения на доске; 3-я группа – «Теоретики» – выступит с краткими сообщениями по теме. Все вместе мы обсудим основные вопросы темы, которые были сформулированы на предыдущей лекции по теме «Производство и передача электрической энергии. Трансформатор» и решим качественные задачи. В заключение семинара проведём тестовую работу. «Практики», получите карточки с задачами и приступайте к их решению.

2. Закрепление материала

Учитель. На последних уроках мы говорили об электрической энергии. В чём преимущества электрической энергии перед другими видами энергии?

Учащиеся. Электроэнергия легко получается из других видов энергии и сама легко превращается в другие виды энергии.

– Её можно передавать по проводам.

– Можно изменять силу тока и напряжение.

Учитель. С помощью какого устройства изменяют силу переменного тока и напряжение?

Учащиеся. С помощью трансформатора.

Учитель. Существует ли потребность в использовании трансформатора при передаче электрической энергии? Давайте послушаем сообщение «теоретика».

Теоретик. Для чего нужен трансформатор? Уже второй век человечество использует электрический ток в промышленных масштабах. И все эти годы используется в основном переменный ток. В странах Европы и Америки наибольшее распространение получил ток, меняющий своё направление 100–120 раз в секунду, т.е. частотой 50–60 Гц. Логично предположить, что он имеет какое-то преимущество перед постоянным током. Да, действительно, переменный ток способен легко преобразовываться в ток другого напряжения. Например, электрогенераторы гидроэлектростанций или теплоэлектростанций вырабатывают ток напряжением 10–20 кВ. Но по проводам выгодно передавать ток напряжением 100–1000 кВ. К двигателям станков на предприятиях подводится напряжение 380–660 В. Как видим, напряжение тока при производстве, передаче и использовании электроэнергии разное. Следовательно, существует потребность в трансформации (от лат. transformo – преобразую) электрического тока одного напряжения в ток другого напряжения. Для этого используются устройства, называемые электрическими трансформаторами. Трансформатор был изобретён в 1876 г. П.Н.Яблочковым.

Учитель. Итак, вы поняли, что существует необходимость в трансформации переменного тока одного напряжения в ток другого напряжения. Как же работает трансформатор? Посмотрим демонстрацию «Работа трансформатора».

Комментатор (по ходу опыта, который показывает экспериментатор). Трансформатор – это прибор для преобразования напряжения или силы переменного тока при постоянной частоте. Он состоит из сердечника и катушек: первичной, соединённой с источником переменного тока, и вторичной, соединённой с потребителем. Следует заметить, что вторичных катушек может быть несколько, т.к. от одного источника могут получать энергию несколько потребителей: в радиоприёмнике, например, напряжение на лампе 6 В, а на усилителе 380 В.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции: при прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции во вторичной обмотке.

На первичную обмотку подаём напряжение 220 В переменного тока, ко вторичной присоединяем лампу, рассчитанную на 4,5 В. Таким образом, наш трансформатор понижает напряжение приблизительно в 49 раз: коэффициент трансформации k = 220В/4,5В 49.

Учитель (организует фронтальную беседу, используя таблицу «Трансформатор» и модель трансформатора). Итак, вы увидели работу трансформатора. Каково его назначение? (Здесь и далее стандартные ответы опускаем. – Ред.) На чём основан принцип действия трансформатора? Почему для реостата замыкание одного-двух витков не опасно, а трансформатор может выйти из строя, если хотя бы один виток замкнётся накоротко?

Учащиеся. При замыкании одного-двух витков реостата общее сопротивление чуть уменьшится, а сила тока чуть увеличится, что не опасно. В случае трансформатора в каждом, в том числе и замкнутом, витке наводится одна и та же ЭДС индукции. Поскольку сопротивление замкнутого витка ничтожно мало, в нём индуцируется очень большой ток. Чрезмерный нагрев может расплавить провода или разрушить изоляцию и вызвать замыкание соседних витков.

Учитель. Каково устройство трансформатора? Сколько чаще всего катушек у трансформатора? Что такое коэффициент трансформации? Каким он бывает численно? Какой трансформатор называют повышающим, какой понижающим? Как рассчитать коэффициент трансформации? Предложите способ определения числа витков в обмотке трансформатора, не разматывая катушек.

Учащиеся. Намотать поверх одной из обмоток дополнительную обмотку с известным числом витков и измерить напряжение на её концах при подаче на другую обмотку известного напряжения.

Учитель. Можно ли подключить трансформатор к сети постоянного напряжения?

Учащиеся. Нет, трансформатор может сгореть: сопротивление обмотки постоянному току гораздо меньше, чем переменному из-за отсутствия индуктивного сопротивления.

Учитель. Почему трансформатор гудит? Послушаем сообщение.

Теоретик. Если по обмотке трансформатора течёт переменный ток, то часто слышен звук низкого тона. Это объясняется тем, что некоторые металлы и сплавы при намагничивании изменяют размеры, это свойство называется магнитострикцией. Сильно проявляется этот эффект у железа, никеля и их сплавов. Поместив стержень в катушку и пропустив по катушке переменный ток, сила которого то увеличивается, то уменьшается, мы заставляем стержень то намагничиваться, то размагничиваться. Размеры стержня при этом периодически меняются, в воздухе создаются периодические сжатия и разрежения, возникает звуковая волна. Если частота переменного тока невелика, звук слышен.

Учитель. Охарактеризуйте сердечник трансформатора.

Учащиеся. Сердечник изготавливают из специальной трансформаторной стали, чтобы уменьшить потери на перемагничивание. Его делают замкнутым – для уменьшения рассеивания магнитного потока. Сердечник выполняют не из цельного куска, а набирают из отдельных изолированных пластин для ослабления токов Фуко.

Учитель. Наблюдаем демонстрацию «Роль сердечника в трансформаторе».

Комментатор (по ходу опыта, который показывает экспериментатор). Возьмём две катушки от трансформатора и поставим рядом. К одной (на 220 В) подведём переменный ток напряжением 6–20 В от школьного регулятора напряжения, концы второй катушки (на 120 В) соединим со входом электронного осциллографа. Получим на экране синусоиду с амплитудой 2–3 мм. Наденем обе катушки на сердечник трансформатора – амплитуда синусоиды возрастает в 15 раз. Замкнём сердечник ярмом – сигнал увеличивается ещё примерно в два раза, а в общем – в 25–30 раз. Этот опыт хорошо показывает роль сердечника для повышения КПД трансформатора.

Учитель (организует фронтальную беседу). Мы убедились, что сердечник в трансформаторе играет большую роль: повышает КПД трансформатора. Как найти этот КПД? Каких наибольших значений он достигает?

Учащиеся. 97–98%.

Учитель. Какие непроизводительные потери могут быть в трансформаторе?

Учащиеся. Нагрев обмоток трансформатора. Нагрев сердечника токами Фуко. Потери при перемагничивании сердечника. Потери на рассеивание магнитного потока.

Учитель. Можно ли включить в сеть переменного тока напряжением 220 В первичную катушку трансформатора, снятую с сердечника?

Учащиеся. Нет, т.к. без сердечника индуктивность катушки становится очень маленькой, значит, её индуктивное сопротивление резко уменьшается, а сила тока опасно возрастает.

Учитель. Каково соотношение напряжения и силы тока в трансформаторе? Послушаем сообщение «Передача элктроэнергии на большое расстояние».

Теоретик. Известно, что крупные теплоэлектростанции строят вблизи угольных месторождений, гидроэлектростанции – на крупных реках, а атомные электростанции – не ближе 30–40 км от больших городов, где расположены основные потребители электроэнергии. Другими словами, электроэнергия производится вдали от мест её потребления. К сожалению, на сегодняшний день ещё не изобретён дешёвый способ накопления электроэнергии в больших масштабах. Следовательно, она должна быть немедленно передана потребителю, для чего служат линии электропередачи. Важнейшая проблема передачи электроэнергии на большие расстояния – снижение потерь мощности тока в проводах. При типичной мощности генератора 500 МВт и вырабатываемом напряжении 20 кВ сила тока в генераторе составляет 25 кА. Такой ток, согласно закону Джоуля–Ленца, даже при сопротивлении провода всего 1 Ом ежесекундно будет выделять столько же тепла, сколько 600 000 электрочайников, включённых одновременно! Согласно тому же закону существуют две возможности для снижения потерь электроэнергии: уменьшение сопротивления проводов и уменьшение силы тока в них.

Рассмотрим вторую возможность. В трансформаторе повышение напряжения сопровождается понижением силы тока в такое же число раз. Поэтому, прежде чем ток от генератора попадёт в линию электропередачи, он должен быть трансформирован в ток высокого напряжения. Повысив напряжение с 20 кВ до 1000 кВ, т.е. в 50 раз, мы в такое же число раз понизим силу тока: I₁/I₂ = U₂/U₁. И количество теплоты, бесполезно выделяющееся в проводах, уменьшится в 2500 раз!

Учитель. А теперь посмотрим опыт «Сварка с помощью трансформатора».

Комментатор (по ходу опыта, который показывает экспериментатор). Мы уже видели опыты, демонстрирующие роль сердечника в трансформаторе. Все особенности устройства сердечника направлены на повышение его КПД: 97–98%, U₂/U₁ I₁/I₂. Во сколько раз уменьшим напряжение, во столько раз возрастёт сила тока.

Это свойство трансформатора используется при сварке. К первичной обмотке трансформатора подводим напряжение 220 В, ко вторичной обмотке подключаем сварочный аппарат. Между его электродами напряжение невелико (около 10 В), а сила тока, протекающего через вторичную обмотку в момент соприкосновения электродов, велика, поэтому наступает пробой диэлектрика – дуговой разряд, и электроды свариваются.

Учитель. Вы видели опыт, демонстрирующий одно из применений трансформатора. Почему толщина провода в обмотках различна?

Учащиеся. Толщина провода определяется силой тока, проходящего через него. По вторичной обмотке сварочного аппарата протекает ток большой силы, поэтому она изготовлена из толстого медного провода.

Учитель. Давайте теперь обсудим задачи, которые решала на доске группа «практиков». «Практики» расскажут нам о своих решениях, а вы задавайте вопросы, если что-то непонятно. («Практики» выходят к доске по мере готовности представить решения задач.)

• Задача 1. Сила тока в первичной обмотке трансформатора равна 0,5 А, напряжение на концах её 220 В. Сила тока во вторичной обмотке 11 А, напряжение на концах 9,5 В. Найдите КПД трансформатора. (Ответ. = 95%.)

• Задача 2. Понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 10 включён в сеть напряжением 220 В. Определите напряжение на концах вторичной обмотки, если её сопротивление 0,2 Ом, а сила тока в ней 10 А. Потерями энергии в первичной катушке пренебречь. (Ответ. U₂ = 20 В.)

• Задача 3. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке? (Ответ. N₁ = 22 000.)

• Задача 4. Двухпроводная линия длиной 1000 м выполнена из медного провода сечением 17 мм². Приёмники энергии потребляют мощность 2,2 кВт при напряжении 220 В. Определите потери мощности в проводах линии и подводимое к линии напряжение. (Ответ. Р_пот = 100 Вт; U = 230 В.)

• Задача 5. Вторичная обмотка трансформатора, имеющая 100 витков, пронизывается магнитным потоком, изменяющимся со временем по закону Ф = 0,01cos314t. Напишите формулу, выражающую зависимость ЭДС вторичной обмотки от времени. Каково максимальное значение ЭДС самоиндукции в первичной обмотке, если в первичной обмотке 1000 витков? (Ответ. ₂ = 314sin314t; _1max = 3140 В.)

Учитель. Показателем уровня развития и благосостояния общества является степень электрификации. Сегодня в нашей огромной стране очень мало населённых пунктов, где не было бы трансформаторных станций. Есть она и в нашем городе. Послушаем сообщение «Электрификация города Озёры». (Через кодоскоп воспроизводится схема передачи электрической энергии.)

Теоретик. Электрификация Озёр началась с конца XIX в. и занималось ею «Товарищество „Фёдор Щербаков и сыновья”». От первого электрогенератора мощностью 140 кВт в 1895 г. дали освещение в механическую мастерскую фабрики. К 1908 г. этот генератор заменили другим, мощностью 375 кВт. Были освещены рабочие места на ткацкой и прядильной фабриках. В 1914 г. на фабрике Щербаковых прошла реконструкция: была установлена турбина и электрогенератор для освещения помещения фабрики. В Озёрах слободы и главная улица освещались калийно-керосиновыми фонарями. В жилых домах горели керосиновые лампы, свечи и даже лучины.

В 1925 г. была построена трансформаторная подстанция мощностью 100 кВт на площади Карла Маркса. Питание осуществлялось с блока электрогенератора машинного зала фабрики «Челнок». Через трансформаторы энергия подавалась в дома и на улицы «Жилкопа». Электрификация домов закончилась в основном в 1927 г. От Каширской ГРЭС в Озёрах первые лампочки зажглись в 1928 г.

Учитель. Прежде чем приступим к выполнению тестов, вспомним ещё раз теорию. В течение 2–3 мин посмотрите кодограмму с конспектом.

КОНСПЕКТ

Трансформатор (Яблочков, Усагин – конец XIX в.)

1. Устройство, принцип работы

~ i₁ ~ Ф₁ e_i (в каждом витке обмотки).

2. Режим холостого хода (i₂ = 0)

Если R_а 0, то U₁ = – ₁ ( i₁R = U₁ + ₁),

U₂ = –₂ (i₂R = 0).

U₁/U₂ = ₁/₂ = N₁e₁/(N₂e₂) = N₁/N₂ = k – коэффициент трансформации,

k > 1, U ₂ < U₁ – пониж.,

k > 1, U ₂ > U₁ – повыш.

3. Режим нагруженного трансформатора

i₂ 0 ~i₂ Ф, препятств. Ф₁ (Ленц!) Ф₁/t

₁ | ₁| = |U₁| i₁ (т.к. U₁ – const).

Всякое R i₁ P потр. из сети.

4. Потери энергии в трансформаторе

а) нагрев обмоток (джоулево тепло);

б) перемагничивание сердечника;

в) нагрев сердечника токами Фуко;

г) рассеяние магнитного потока

1–3%, т.е. 97–99%

P₂ P₁ I₂ · U₂ I₁ · U₁ I₁/I₂ U₂/U₁.

4. Тестовый опрос

Письменно (по вариантам) учащиеся выполняют тестовые задания под копирку на двух листках: один оставляют у себя для самопроверки, дубликат отдают учителю. Проверка происходит сразу на уроке. Ответы высвечиваются на экране с помощью кодоскопа. Учащиеся сами выставляют себе карандашом оценки за тесты (за каждый правильный ответ – 1 балл) и cообщают учителю свою оценку. После проверки листков-дубликатов учитель выставляет оценку авторучкой.

Вариант 1

1. Сколько витков должна иметь первичная катушка трансформатора, чтобы повысить напряжение от 10 до 50 В, если во вторичной обмотке 80 витков?

А) 10; Б) 50; В) 16; Г) 400; Д) 80.

2. Трансформатор является повышающим, если коэффициент трансформации его:

А) равен единице; Б) меньше единицы;

В) любой; Г) больше 1.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

3. Сердечник трансформатора набран из отдельных изолированных пластин для:

А) экономии материала;

Б) уменьшения рассеяния магнитного потока;

В) уменьшения энергии на перемагничивание;

Г) уменьшения токов Фуко.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

4. Каково соотношение между напряжением и числом витков в обмотках трансформатора?

А) U₁/U₂ = N₁/N₂; Б) U₁/U₂ = N₂/N₁;

В) I₁/I₂ = N₁/N₂; Г) нет связи.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.

5. Первичная катушка трансформатора – это та, что:

А) соединена с потребителем;

Б) соединена с источником;

В) любая;

Г) нет такой.

Д) Среди ответов А–Г нет верного.