Физика 11 класс. Генерирование Электрической энергии. Трансформатор.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Генерирование электрической энергии. Трансформаторы.

11 класс

Учитель физики И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Генерирование электрической энергии

• Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию .

Генераторы

Генератор переменного тока

• Электромеханические индукционные генераторы переменного тока- устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую .
• Их действие основано на явлении электромагнитной индукции .

Модель генератора переменного тока

• Вращающаяся проволочная рамка является ротором. Магнитное поле

создает неподвижный постоянный магнит.

Генератор переменного тока

Основные части генератора:

• электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле,
• обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС.

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 вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси- называется ротором.

Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором.

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока

• В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными.
• Скользящие контакты- подводят ток к ротору или отводят его из обмотки ротора во внешнюю цепь. Ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.

• Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.

История изобретения

• Системы производящие переменный ток были известны в простых видах со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.

• Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году.
• Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший частоты между 100 и 300 герц.

• В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц).

Трансформатор

Трансформатор

• Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Принцип действия трансформаторов:

изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в

первичной обмотке, пронизывая витки вторичной обмотки,

индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого

напряжения.

Устройство трансформатора

• 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 .

Схема трансформатора

Условное обозначение

на схемах

Трансформатор на холостом ходу

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или

вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = -Ф', где Ф' производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N 1 витков, полная ЭДС индукции е 1

равна N 1 e. Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции е 2 равна N 2 e

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:

|u 1 | ≈ |e 1 |.                        

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

|u 2 | ≈ |e 2 |.                        

Режим холостого хода

Мгновенные значения ЭДС e 1 и е 2 изменяются синфазно (одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль).

Поэтому их отношение в формуле можно заменить отношением действующих значений

Величина К называется коэффициентом трансформации

Коэффициент трансформации

• Коэффициент трансформации – величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

• Повышающий трансформатор - трансформатор, увеличивающий напряжение.

• Понижающий трансформатор - трансформатор, уменьшающий напряжение .

Рабочий ход ( под нагрузкой)

Этот режим имеет место при замкнутой вторичной цепи.

В этом случае трансформатор нагружен, т.е. подключены потребители.

Повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, во столько же раз уменьшается сила тока (и наоборот).

Потери энергии при работе трансформатора

Потери энергии при работе трансформатора:

• на нагревание обмоток;
• на рассеивание магнитного потока в пространство;
• на вихревые токи в сердечнике и на его перемагничивание.

Меры, принимаемые для уменьшения потерь:

• обмотка низкого напряжения делается большого сечения так, как по ней протекает ток большой силы;
• сердечник делают замкнутым, чтобы уменьшить рассеяние магнитного потока;
• сердечник делают пластинчатым, чтобы уменьшить вихревые токи.

Потери энергии при работе трансформатора:

• на нагревание обмоток;
• на рассеивание магнитного потока в пространство;
• на вихревые токи в сердечнике и на его перемагничивание.

Меры, принимаемые для уменьшения потерь:

• обмотка низкого напряжения делается большого сечения так, как по ней протекает ток большой силы;
• сердечник делают замкнутым, чтобы уменьшить рассеяние магнитного потока;
• сердечник делают пластинчатым, чтобы уменьшить вихревые токи.

Использование трансформаторов

Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены

очень сложно, однако незыблемым 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%.

Использование трансформаторов:

• 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 .

История изобретения трансформатора

• 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 . Хоть Фарадей в своих опыта и использовал подобие современного трансформатора, однако основное свойство трансформатора – трансформация токов и напряжений, было открыто позже.
• В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена индукционная катушка (индуктивность) – прообраз трансформатора.

• Датой же рождения первого трансформатора считается 30 ноября 1876 года , когда русский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником. Это был стержень с намотанными на него обмотками.
• Трансформаторы П. Н. Яблочкова применялись только для электрического освещения и не могли использоваться в других промышленных целях.

• Трансформатор, служащий для общего промышленного пользования, был изобретен И. Ф. Усагиным .

Летом 1882 года на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве И. Ф. Усагин продемонстрировал своё изобретение— трансформатор промышленного типа.

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

• В 1889 году русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский вместе с предложенной им трехфазной системой переменного тока создал первый трехфазный трансформатор.

Решение задач

1.Сколько витков должна иметь вторичная обмотка трансформатора, чтобы повысить напряжение с 220 до 11000В, если в первичной обмотке 20 витков? Каков коэффициент трансформации?

2 . Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение 105В?

3 . Мощность, потребляемая трансформатором, 90 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на зажимах вторичной обмотки 12 В и КПД трансформатора 75%.

4. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть напряжением 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20В, ее сопротивление 1 Ом, сила тока 2А. Определите коэффициент трансформации и КПД трансформатора.

Спасибо за внимание!