Урок по физике на тему Переменный ток

Получение, передача и применение переменного электрического тока.

Цели урока: выяснить условия существования переменного тока; познакомиться с устройством трансформатора, рассмотреть принцип его действия, достоинства, практическое применение. 

Задачи урока: 
Образовательные: 
- создание условий для формирования представлений о переменном электрическом токе; трансформаторе. 
Развивающие: 
- формирование умения делать выводы, обобщать полученные сведения; 
- формирование у учащихся навыков работы с источниками информации 
- развивать навыки логического мышления, умение обосновывать свои высказывания, делать выводы. 
Воспитательные: 
- формирование положительной мотивации к учебному труду, коммуникативных умений; 
- формирование интереса к познанию окружающего мира; 
- формировать чувство гордости за развитие отечественной техники; 
- развивать интерес к рабочим профессиям. 

Тип урока: урок изучения нового материала. 

Оборудование: катушка с большим числом витков, полосовой магнит, гальванометр, ПК. 

1.Организационный момент (2 минуты)

Проверка готовности учебного кабинета и учащихся к уроку. 

2. Актуализация знаний (5 минут)

Прежде чем мы перейдем к изучению нового материала, вам необходимо вспомнить:

Какое явление называется явлением электромагнитной индукции?
От чего зависит направление и значение индукционного тока?

3 Постановка проблемы (3 минуты)

Для того чтобы рассмотреть новый материал нам необходимо еще раз обратиться к опыту демонстрирующему явление электромагнитной индукции. 
Что мы видим? 
Как вы думаете, как будет называться такой ток? 
Итак, запишите тему сегодняшнего урока. 
Ребята, выскажите предположение, чем же мы сегодня на уроке будем заниматься?

Урок будет по­свя­щен теме «По­лу­че­ние, передача и применение пе­ре­мен­но­го элек­три­че­ско­го тока». Этот во­прос вплот­ную свя­зан с яв­ле­ни­ем элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции. Когда мы го­во­ри­ли об ин­дук­ци­он­ном элек­три­че­ском токе, на­вер­ное, вы за­ме­ти­ли, что ве­ли­чи­на и на­прав­ле­ние тока за­ви­сит от того, как дви­гал­ся маг­нит по на­прав­ле­нию и по ско­ро­сти – от того, как из­ме­нял­ся маг­нит­ный поток. Если обоб­щить име­ю­щи­е­ся экс­пе­ри­мен­таль­ные дан­ные, то можно пред­ло­жить сле­ду­ю­щее устрой­ство: за­кре­пить маг­нит и от­но­си­тель­но него дви­гать ка­туш­ку с боль­шим чис­лом вит­ков (или на­о­бо­рот, дви­гать маг­нит от­но­си­тель­но непо­движ­ной ка­туш­ки). В ре­зуль­та­те будет со­зда­вать­ся ин­дук­ци­он­ный элек­три­ческий ток.

4. Изучение нового материала.

На сегодняшний день вся промышленность использует именно переменный электрический ток. Что же такое пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток? 

Пе­ре­мен­ным элек­три­че­ским током на­зы­ва­ют такой ток, ко­то­рый пе­ри­о­ди­че­ски из­ме­ня­ет­ся по своей ве­ли­чине, мо­ду­лю и на­прав­ле­нию.

Объясняется это тем, что очень удобно, во-первых, получить переменный электрический ток, а во-вторых, удобно передавать его на большие расстояния. Вот поэтому в мире везде и всюду используется именно переменный ток. 

Обо­зна­ча­ют его на всех схе­мах вол­ни­стой ли­ни­ей.

Рис. 1. Обо­зна­че­ние пе­ре­мен­но­го тока

Об­ра­ти­те вни­ма­ние: если дома есть ка­кие-ли­бо элек­три­че­ские при­бо­ры и на этих при­борах встре­ча­ет­ся такое обо­зна­че­ние, зна­чит, эти при­бо­ры ра­бо­та­ют на пе­ре­мен­ном элек­три­че­ском токе.

 
Для получения такого тока нам необходимо устройство, которое впервые предложил М. Фарадей. 
Так мы переходим к устройству, которое дает возможность получить электрический ток, и называется генератором. 

Электромеханический индукционный генератор переменного тока – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую благодаря явлению электромагнитной индукции.

Со­вре­мен­ный ге­не­ра­тор пред­став­ля­ет собой до­воль­но слож­ное устрой­ство, но в ос­нов­ном со­сто­ит он из двух ча­стей – ро­то­ра и ста­то­ра.

Рис. 2. Устрой­ство ге­не­ра­то­ра

Ста­тор – это непо­движ­ная часть. Ротор – по­движ­ная. Можно ска­зать, что ста­тор – это ана­лог ка­туш­ки с боль­шим чис­лом вит­ков. А ротор – это маг­нит, ко­то­рый вра­ща­ет­ся и со­зда­ет из­ме­ня­ю­щий­ся маг­нит­ный поток с те­че­ни­ем вре­ме­ни, про­ни­зы­вая те витки, ко­то­рые на­хо­дят­ся в ста­то­ре, ин­ду­ци­ру­ет, на­во­дит в этих вит­ках элек­три­че­ский ток.

Если ге­не­ра­тор ма­ло­мощ­ный, то обыч­но ротор де­ла­ют из по­сто­ян­но­го маг­ни­та. Ему при­да­ют опре­де­лён­ную форму, со­зда­ют внут­ри несколь­ко от­дель­ных по­лю­сов. Этот по­сто­ян­ный маг­нит, вра­ща­ясь прямо внут­ри ста­то­ра, непо­сред­ствен­но со­зда­ёт ин­дук­ци­он­ный элек­три­че­ский ток. Если же необ­хо­дим мощ­ный ге­не­ра­тор, то в этом слу­чае ротор – уже не по­сто­ян­ный маг­нит, а элек­тро­маг­нит.

Ко­неч­но, необ­хо­ди­мо ска­зать, что во всех ге­не­ра­то­рах ротор вра­ща­ет­ся за счет ра­бо­ты сто­рон­ней силы. Если этот ге­не­ра­тор уста­нов­лен на гид­ро­элек­тро­стан­ции, то там ис­поль­зу­ет­ся энер­гия па­да­ю­щей воды. В этом слу­чае ротор вра­ща­ет­ся с неболь­шой ско­ро­стью. По­это­му при­хо­дит­ся де­лать ротор слож­ной формы, чтобы со­здать боль­шое из­ме­не­ние маг­нит­но­го по­то­ка при вра­ще­нии ро­то­ра и по­лу­чить зна­чи­тель­ный элек­три­че­ский ток. На­при­мер, у ге­не­ра­то­ра на теп­ло­вых элек­тро­стан­ци­ях ротор будет вра­щать­ся за счет по­сту­па­ю­ще­го пара, там ча­сто­та вра­ще­ния до­ста­точ­но боль­шая, и в этом слу­чае ко­ли­че­ство по­люсов и форма ротора будет совсем иная.­

. Рис.3. Устрой­ство ро­то­ра и ста­то­ра

Если го­во­рить про ста­тор, то это непо­движ­ная часть ге­не­ра­то­ра. В ней про­ре­за­ют­ся пазы. Пред­ставь­те себе ци­линдр, в ко­то­ром про­ре­за­ны пазы, в этих пазах укла­ды­ва­ет­ся об­мот­ка ста­то­ра, где и со­зда­ет­ся ин­дук­ци­он­ный элек­три­че­ский ток. Так устро­е­ны ге­не­ра­то­ры пе­ре­мен­но­го тока.
Вернемся еще раз к ротору. Мы видели, что генератор имеет несколько пар магнитных полюсов. Это связано с тем, что чем больше таких пар, тем больше частота переменного электрического тока. 

Рис.4 Вид генератора
Стандартная частота переменного тока, применяемого в промышленности составляет 50 Гц. 
Для передачи электроэнергии от электростанций используются ЛЭП. Причем оказывается часть этой энергии уходит на нагревание проводов. 
Что можно предпринять, чтобы уменьшить потери? 
Решение данной проблемы стало возможным после изобретения трансформатора. 

Транс­фор­ма­тор – при­бор для пре­об­ра­зо­ва­ния переменного элек­три­че­ско­го тока и на­пря­же­ния.

Он со­сто­ит из двух ка­ту­шек, они на­зы­ва­ют­ся об­мот­ка­ми, и эти две ка­туш­ки (ка­ту­шек может быть и боль­ше на самом деле) на­де­ты на один сер­деч­ник

.

  Рис.5 Транс­фор­ма­тор

Когда мы под­клю­ча­ем пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток к одной из ка­ту­шек, в ней со­зда­ет­ся пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле. Маг­нит­ное поле одной ка­туш­ки уси­ли­ва­ет­ся за счет же­лез­но­го сер­деч­ни­ка и своим маг­нит­ным по­то­ком про­ни­зы­ва­ет витки дру­гой ка­туш­ки. Тем самым в дру­гой ка­туш­ке тоже будет со­зда­вать­ся элек­три­че­ский ток. Если мы будем те­перь из­ме­нять ко­ли­че­ство вит­ков в одной ка­туш­ке и в дру­гой ка­туш­ке, то будут ме­нять­ся зна­че­ния элек­три­че­ско­го тока в раз­лич­ных ка­туш­ках.

Вот здесь и про­ис­хо­дит самое глав­ное. Дело в том, что, когда элек­три­че­ский ток про­те­ка­ет по про­во­дам, глав­ная по­те­ря свя­за­на с тем, что про­во­да на­гре­ва­ют­ся, т.е. ска­зы­ва­ет­ся теп­ло­вое дей­ствие элек­три­че­ско­го тока. Это яв­ля­ет­ся глав­ным неудоб­ством при пе­ре­да­че по­сто­ян­но­го элек­три­че­ско­го тока.

А если мы го­во­рим о пе­ре­мен­ном токе, то за счет транс­фор­ма­то­ра, из­ме­няя витки в ка­туш­ках, можно ре­гу­ли­ро­вать зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока.

Если мы умень­шим ко­ли­че­ство вит­ков, то можем из­ме­нить и зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока. Мы можем его умень­шить, и по­те­ри элек­три­че­ско­го тока при пе­ре­да­че тоже умень­шат­ся.

Если мы все это при­мем во вни­ма­ние, то можем ска­зать сле­ду­ю­щее. Транс­фор­ма­тор дает воз­мож­ность умень­шить зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока и уве­ли­чить при этом на­пря­же­ние элек­три­че­ско­го тока.

Таким об­ра­зом удоб­но пе­ре­да­вать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток. Транс­фор­ма­тор на­зы­ва­ет­ся по­вы­ша­ю­щим тогда, когда на­пря­же­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся. Когда такой элек­три­че­ский ток при­хо­дит уже непо­сред­ствен­но к нам в квар­ти­ры, то вклю­ча­ют дру­гой транс­фор­ма­тор, ко­то­рый на­зы­ва­ет­ся по­ни­жа­ю­щим. В этом слу­чае на­пря­же­ние умень­ша­ет­ся до 220В, но сила тока в цепи воз­рас­та­ет.

Этот элек­три­че­ский ток мы ис­поль­зу­ем в бы­то­вых при­бо­рах. Если мы будем рас­смат­ри­вать от­дель­но каж­дую линию элек­тро­пе­ре­дач (крат­ко ее на­зы­ва­ют ЛЭП), то каж­дая такая линия от­дель­но раз­ра­ба­ты­ва­ет­ся для кон­крет­ной элек­тро­стан­ции, с ко­то­рой мы по­лу­ча­ем элек­тро­энер­гию. На пути ее пе­ре­да­чи уста­нав­ли­ва­ют­ся транс­фор­ма­тор­ные стан­ции, ко­то­рые ме­ня­ют на­пря­же­ние пе­ре­мен­но­го элек­три­че­ско­го тока.

Рис.6 Схема передачи электроэнергии

Итак, в генераторе происходит превращение механической энергии в электрическую.

Вопрос к классу: каким образом приводится во вращение ротор генератора на гидроэлектростанции, на тепловой электростанции? Обсуждаются и уточняются ответы учащихся.

Добиться ответа:

- На гидроэлектростанциях – потоком падающей воды;

- На тепловых – паром высокого давления и температуры.

Мы живем в 21 веке и основой цивилизованного образа жизни, следовательно, и научно-технического прогресса, является энергия, которой требуется все больше и больше. Но здесь возникает проблема. Эту проблему можно назвать - проблема «трех Э»: Энергетика + Экономика + Экология. Для бурного развития экономики, требуется все больше и больше энергии, увеличение выработки энергии - ведет к ухудшению экологии, наносит большой вред окружающей среде.

Ведь энергетика является одной из самых загрязняющих отраслей народного хозяйства. При неразумном подходе происходит нарушение нормального функционирования всех компонентов биосферы (воздуха, воды, почвы, животного и растительного мира), а в исключительных случаях, подобных Чернобылю, под угрозой оказывается и сама жизнь. Поэтому главным должен стать подход с экологических позиций, учитывающих интересы не только настоящего, но и будущего.

Между тем, ТЭС являются одними из основных загрязнителей атмосферы твердыми частицами золы, окислами серы и азота, а также углекислым газом, способствующим возникновению «парникового эффекта». Над городами образуются, так называемые острова тепла, из-за усиленного выброса энергии которых, нарушается нормальное течение атмосферных процессов.

В настоящее время назрела необходимость внедрения ресурсосберегающих и безотходных технологий; переход к чистым, альтернативным и неисчерпаемым источникам энергии.

Строят электростанции разного типа, геотермальные, ветряные, и т.д.

5. Закрепление знаний, полученных на уроке. 

1. Какой электрической ток называется переменным?

2. Где используют переменный электрический ток?

Какими бы ни были типы электростанций, главное устройство на любом из них – это генератор.

Вопрос: Что называют генератором?

Ответ: Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую.

Вопрос: Назовите основные части генератора.

Ответ: Ротор, статор.

Вопрос: Для чего используется трансформатор?

Ответ: Для преобразования электрического тока

6. Подведение итогов. Рефлексия.

Сегодня на уроке, мы с вами разобрали принцип действия генератора, этого внушительного сооружения из проводов, изоляционных материалов, стальных конструкций. Но при своих огромных размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготавливаются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать, электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Проверка знаний - проверь соседа! (тест)

А сейчас проверим, на сколько, вы усвоили данный материал. Запишите правильный ответ. Кто ответит правильно на 7 вопросов, получит «5», на 6 вопросов, оценку - «4», за 4-5 правильных ответов получит «3».

Тест: Генерирование электрической энергии.

I. Переменный электрический ток

1. не изменяется по значению;

2. не изменяется по направлению;

3. изменяется по значению и направлению.

II. На каком явлении основано действие электромеханического индукционного генератора переменного тока?

1. электростатической индукции;

2. электромагнитной индукции;

3. термоэлектронной эмиссии.

III. Генератор электрической энергии необходим для…

1. создание материи;

2. создание энергии;

3. преобразование энергии

IV. Переменный ток вырабатывают

1. на заводе;

2. на электростанции;

3. в жилых домах.

V. Промышленная частота используемого у нас переменного тока ...

VI. Простейший генератор переменного тока состоит…

VII. Трансформатор состоит…

Рефлексия. 

Закончи предложения:

Я узнал…

Я повторил…

Я запомнил…

Работал в полную силу

Работал хорошо

Мог работать лучше

Наша работа подходит к концу. И в заключении.

Завершая свои лекции, Фарадей часто обращается к своей юной аудитории с таинственными словами: “Все, что я могу сказать вам в заключение этой лекции (потому что мы рано или поздно все равно должны закончить эту лекцию), так это выразить пожелание, чтобы вас - все ваше поколение - можно было сравнить со свечой; чтобы вы могли так же ярко, как и она, светить для окружающих; чтобы вы во всех ваших поступках могли оправдать красоту горящей свечи своими достойными и полезными делами, выполняя свой долг перед соотечественниками”.

Как вы думаете, какой смысл вкладывал Фарадей в эти строки?

Выставление оценок в журнал

7. Домашнее задание

.