Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Трансформатор. Передача електроенергії на відстань та її використання

ТРАНСФОРМАТОР. РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ. ПЕРЕДАЧА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ НА ВІДСТАНЬ ТА ЇЇ ВИКОРИСТАННЯ

ТРАНСФОРМАТОР

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає).

Трансформатор (мал.З. 21) в основному складається з двох (або більшої кількості) котушок, намотаних на феромагнітне (наприклад, сталеве) осердя. Одну з цих котушок (обмоток), яка приєднується до лінії від генератора, називають первинною.

Споживачі (електродвигуни, лампи, нагрівники тощо) приєднуються до вторинної обмотки трансформатора.
Осердя багатьох трансформаторів виготовляють із трансформатичної сталі і роблять замкненим, щоб зменшити втрати енергії в ньому. Сталь беруть у вигляді пластин, ізольованих одна від одної, що зменшує втрати енергії в разі виникнення вихрових струмів.

Змінний струм, що проходить у колі первинної обмотки l з кількістю витків N₁, створює в осерді змінне магнітне поле. Це поле є спільним для обох обмоток трансформатора. У вторинній обмотці трансформатора 2 з кількістю витків N₂ індукується електрорушійна сила.

Оскільки обмотки трансформатора мають спільне змінне магнітне поле, то в кожному їх витку виникає однакова електрорушійна
За допомогою трансформаторів можна в широких межах змінювати сили струму і напруги змінних струмів без істотних втрат потужності сила. Електрорушійна сила в обмотках пропорційна кількості витків у них:

Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, то таке явище називають холостим ходом трансформатора. У цьому разі напруга U₂ дорівнює електрорушійній силі . У первинній обмотці при цьому проходить струм невеликої сили — струм холостого ходу.

Отже, під час холостого ходу напруги на обмотках трансформатора можна вважати пропорційними кількостям витків у них:

де k — коефіцієнт трансформації.

Якщо k < 1, то U₂ > U₁ і трансформатор є підвищувальним; якщо k > 1, напруга U₂ менша від U₁ і трансформатор є знижувальним.

Коли до вторинної обмотки приєднують споживачі, вторинне коло замикається — це так званий робочий хід трансформатора. Струм І₂ вторинної обмотки є індукційним, тому його магнітне поле відповідно до закону Ленца послаблює магнітне поле, яке його викликало. Отже, магнітний потік в осерді зменшується, а відповідно зменшується і . Сила струму I₁ зростає до значення, коли магнітний потік в осерді стане таким, як і був раніше.

Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, можна вважати, що  і .

Сучасні трансформатори мають коефіцієнти корисної дії від 90 до 99,5%, тобто втрати енергії в них незначні. Тому наближено

При розімкненому колі вторинної обмотки трансформатора явище називають його холостим ходом

Коефіцієнт трансформації при холостому ході визначається відношенням кількостей витків в обмотках трансформатора

звідки

Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, то можна вважати, що

Один і той самий трансформатор, якщо в ньому є кілька обмоток, може бути як підвищувальним, так і знижувальним, або якщо за наявності лише двох обмоток поміняти їх місцями.

 ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ 13
1. На фото подано осцилограму вільних коливань у коливальному контурі (С = 0,25 мкФ).

1) Дослідіть, чи залежить період вільних коливань від їх амплітуди.
2) Визначте період, частоту і циклічну частоту коливань, якщо вони відбуваються протягом 0,01 с.
3) Визначте індуктивність котушки контура.
2. Коливальний контур складається з конденсатора ємністю 10 пФ і котушки індуктивністю 3 мГн. Знайдіть частоту електромагнітних коливань у контурі.
3. В коливальному контурі максимальний електричний заряд конденсатора 10~6 Кл, а максимальна сила струму — 0,03 А. Який період електромагнітних коливань у контурі?
4. Конденсатор ємністю 50 пФ спочатку з'єднали з джерелом постійного струму з електрорушійною силою З В, а потім з котушкою індуктивністю 5 мкГн. Яка частота коливань, що відбуваються в контурі? Яка максимальна сила струму в контурі?                  
5. Електричний заряд на пластинах конденсатора коливального контура змінюється з часом згідно з рівнянням q = 10^-6cos10⁵пt. Запишіть рівняння залежності сили струму від часу. Знайдіть  період і частоту коливань у контурі, амплітуду коливань заряду і сили струму.
6. Конденсатор ємністю 20 мкФ зарядили до напруги 400 В і приєднали до котушки з певною індуктивністю. В контурі виникли затухаючі коливання. Яка кількість теплоти виділиться в контурі за час, коли амплітуда коливань напруги зменшиться у 4 рази?
7. Маємо послідовно з'єднані резистор з опором 3,9 кОм і конденсатор ємністю 0,25 мкФ. До такої ділянки кола прикладено напругу промислової частоти (50 Гц). Визначте: 1) ємнісний опір ділянки кола; 2) повний опір ділянки кола; 3) коефіцієнт потужності; 4) зсув фаз сили струму і напруги на ділянці кола; 5) котушку якої індуктивності треба з'єднати послідовно з резистором і конденсатором, щоб спостерігався резонанс?
8. У коло змінного струму увімкнемо конденсатор ємністю 1 мкФ і — дросель (котушку) індуктивністю 0,1 Гн.  Знайдіть відношення індуктивного опору до ємнісного за частоти 50 Гц і 5 кГц. За якої частоти струму ці опори будуть однаковими? Яке явище при цьому спостерігається?
9. Первинна обмотка силового трансформатора радіоприймача має 2200 витків. Скільки витків повинна мати вторинна обмотка, що використовується для живлення споживача за напруги 5 В і сили струму 2 А? Опір вторинної обмотки 0,1 Ом. Напруга в мережі 220 В. Яка сила струму у первинній обмотці трансформатора?
10. На замкнуте залізне осердя надіто дві обмотки. Як визначити число витків у кожній з обмоток, якщо в розпорядженні є джерело змінного струму, провідники довільної довжини і вольтметри на будь-які значення напруг?

ЯК ДОЦІЛЬНО ПЕРЕДАВАТИ ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ НА ВІДСТАНЬ?

У багатьох випадках розв'язування фізичних задач може бути джерелом нових теоретичних чи практичних висновків. Іноді навіть кажуть що розвиток фізичної науки є послідовним розв'язуванням задач, що постають. Розглянемо одну з таких задач, яка є у будь-якому серйозному збірнику задач з фізики.

Задача. Електроенергію від електростанції потужністю 62 кВт передають за допомогою лінії з опором 5 Ом. Визначити втрату напруги і потужності в лінійних проводах та коефіцієнт корисної дії передачі енергії у разі, коли передача здійснюється за напруги на електростанції: 1)  620 В; 2)  6200 В.

Порівняння одержаних результатів дає змогу дійти таких висновків:
1) підвищення напруги в лінії у 10 разів у стільки ж разів зменшує втрати напруги;
2) підвищення напруги в лінії у 10 разів зменшує втрати потужності (й енергії) у 100 разів. Напрошуються два висновки чи два завдання:
1) передавати електричну енергію за якомога вищих напруг;
2) створити пристрої, які б давали змогу за потреби підвищувати напругу (у разі подачі енергії від генераторів до лінії передачі) і знижувати її (у разі подачі від лінії передачі до споживачів).
Такі пристрої були створені, їх назвали трансформаторами.

ЗАПИТАННЯ
1. Які функції електричного трансформатора?
2. З яких основних частин складається трансформатор?
3. З яких речовин виготовляються осердя трансформаторів?
4. Які обмотки трансформаторів вважають первинними і які вторинними?
5. Що таке коефіцієнт трансформації?
6. Що таке холостий і робочий хід трансформатора?
7. Який коефіцієнт корисної дії мають сучасні трансформатори?
8. Як змінюються втрати напруги в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?
9. Як змінюються втрати потужності в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?
10. Що таке коефіцієнт корисної дії лінії електропередачі?
11. Для чого потрібні трансформатори?

Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Скачати підручники та книги онлайн, планування з фізики, курси та завдання з фізики для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.