Урок фізики в 11 класі на тему" Трансформатор. Виробництво, передача та використання електроенергії" та презентація до уроку

Тема: Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму.

Мета уроку:

освітня - ознайомити учнів з будовою, принципом дії та призначенням трансформатора, пояснити способи передачі електричної енергії на великі відстані з мінімальними втратами;

розвивальна - розвивати науковий стиль мислення та творчу активність учнів; ознайомити учнів з одним із основних напрямків науково-технічного прогресу, історією розвитку енергетики, проводити профорієнтаційну роботу з учнями;

виховна - виховувати політехнічний світогляд та розвивати життєву компетентність особистості, сприяти  формуванню екологічної культури.

Тип уроку:  урок засвоєння нових знань (комбінований)

Обладнання: трансформатор лабораторний, роздатковий матеріал,  мультимедійні презентації, мультимедійний проектор, схеми, опорний конспект, карточки із завданнями.

Очікувані результати:

учні знатимуть:

1) будову та принцип дії трансформатора;

2) фізичні характеристики трансформатора;

3) практичне застосування  трансформаторів.

учні вмітимуть :

1)застосовувати знання про трансформатори на практиці;

2) досліджувати екологічні проблеми, пов’язані з виробництвом, передачею та споживанням електричної енергії.

Наука в наші дні захоплює більше ,

ніж будь-які романи.(Ромен Роллан)

Хід уроку

І. Організаційний момент.

Налаштування психологічного настрою учнів на продуктивну роботу (взаємне вітання з класом, організація уваги).

ІІ. Актуалізація опорних знань та життєвого досвіду учнів.

• Фронтальне опитування(Мікрофон):

1. Який струм протікає в  електромережі ? І як він називається ?
2. Який струм називають змінним ?
3. Яка частота змінного струму? Яка напруга в мережі?
4. Який прилад цей струм виробляє ?
5. На якому явищі ґрунтується дія генератора  змінного струму ?
6. Де виробляють змінний струм ?

6) Які типи електричних станцій ви знаєте ?

7) Які нетрадиційні способи вироблення  електроенергії вам відомі?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності. Повідомлення теми, мети уроку.

Споживачами електроенергії є підприємства, організації, великі та малі будинки, а виробляється електроенергія на електростанціях, тому виникає потреба передавати її від джерела до споживача на великі відстані. Як знизити втрати у лініях електропередач? Електрорушійна сила генераторів електростанцій велика. При передачі використовується напруга в сотні тисяч кіловольт. Але на  практиці більшість споживачів потребують електроенергію напругою 220В, а в промисловості – 360В і 600В. Напругу потрібно постійно перетворювати.  Отже перед нами два проблемні питання:

1. Як передати енергію з  найменшими втратами?
2. Як перетворити напругу з високої на низьку і навпаки?  

     Запишіть тему уроку «Трансформатор. Виробництво, передача, та використання енергії електричного струму».

Сьогодні на уроці ми розглянемо такі питання:

1. Трансформатор та його будова

2. Фізичні основи роботи трансформатора

3. Коефіцієнт трансформації 

4. ККД  трансформатора

5. Застосування трансформатора

6. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму 

 ІV . Організація діяльності учнів із засвоєння нової навчальної інформації.

1. Трансформатор та його будова
   •     Дослід

Прилади, за допомогою яких здійснюється перетворення  напруги змінного струму носять назву трансформаторів. Трансформатор (від лат. Transformo - перетворювати)

Трансформатор — це прилад для перетворення сили струму і напруги при незмінній частоті.

Дослід показує, що трансформатор зменшує напругу, але збільшує силу струму.

•     Випереджувальне домашнє завдання

 Презентація «Винахідники трансформатора»

У 1848 р. французький механік Г. Румкорф винайшов індукційну котушку. Вона стала прообразом трансформатора.

У 1876 – 1882 роках Павлом Миколайовичем Яблочковим, російським винахідником, була висунута і здійснена ідея трансформації електричного струму. Він вперше використав індукційну котушку в якості трансформатора з розімкненим сердечником для живлення декількох дугових ламп.

У 1882 р. російський електротехнік Іван Пилипович Усагін і український професор Київського університету М.О. Доліво-Добровольський створили трансформатор перетворювач електричного струму. Розробка силових трансформаторів дала можливість передавати електрику на далекі відстані.

У 1885 році угорські інженери М. Дері та О. Блат разом з К. Зіперновскім розробили трансформатори із замкнутим магнітопроводом. З'явилася система розподілу електроенергії.

• Пояснення будови трансформатора.

Трансформатор складається  осердя замкненої форми, що виготовлене з м’якого феромагнетика, та двох обмоток, надітих на осердя . Первинна обмотка — з’єднана з джерелом змінної   напруги,  а  вторинна  обмотка  приєднана до споживача. Осердя набирається з тонких ізольованих листів  трансформаторної сталі для зменшення  вихрових струмів , які б його розігрівали . 

2. Фізичні основи роботи трансформатора Мультимедійна презентація.

Принцип дії трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції.  Під час проходження змінного струму в первинній обмотці в осерді виникає змінний магнітний потік, залізне осердя передає магнітний потік від первинної  обмотки до вторинної і збуджує ЕРС самоіндукції у вторинній обмотці. Використовуючи закон електромагнітної індукції:

 

 

 

Складемо відношення

 

3. Коефіцієнт трансформації 

Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, то таке явище називають холостим ходом трансформатора ( I= 0 ). У цьому разі напруга на вторинній обмотці дорівнює  ЕРС на вторинній обмотці

U₂₌₂

 а ЕРС на первинній приблизно рівна напрузі на первинній обмотці

U₁₌₁

тому під час холостого ходу:

 

k – коефіцієнт трансформації 

якщо k > 1, напруга U₂ < U₁  трансформатор є знижувальним

якщо k < 1, то U₂ > U₁   трансформатор є підвищувальним

Якщо до кола вторинної обмотки підєднати споживач струму, то трансформатор працюватиме під навантаженням. Струм, що з’явився у вторинній обмотці, створює свій магнітний потік, який за правилом Ленца прагне компенсувати зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить  до автоматичного збільшення сили струму в первинній обмотці. Збільшення сили струму у колі первинної  обмотки  відбувається за законом збереження енергії. Потужність  у первинному колі близька до потужності у вторинному колі:

 

 

 

 

Висновок:

У скільки разів трансформатор зменшує напругу у стільки разів він збільшує силу струму.

Тому у понижувальних трансформаторах діаметр витків на вторинній обмотці більший ніж на первинній

4. ККД трансформатора Мультимедійна презентація.

– ККД трансформатора

5.Застосування трансформаторів. Презентація «Види та застосування трансформаторів»

Трансформатор перетворює напруги в низькі або високі з малими втратами енергії. Він є важливим елементом багатьох електроприладів, механізмів і пристроїв: зарядних пристроїв, радіоприймачів, телевізорів, підстанцій, електростанцій і т.п

Слайд 1. Силові трансформатори, встановлені на електростанціях підстанціях, призначені для перетворення електроенергії з однієї напруги на іншу. Найбільшого поширення набули трифазні трансформатори .Силові трансформатори є основними елементами систем електропостачання і використовуються у всіх галузях економіки, включаючи промисловість, житлово-комунальне і сільське господарство, окремі установи, організації, фірми.

Слайд 2. Вимірювальні трансформатори. Призначені для живлення електровимірювальних приладів, передавачі сигналу інформації вимірювальних приладів в установках змінного струму частоти 50 або 60 Гц.

Слайд 3. Зварювальні трансформатори - для електрозварювання і електроплавлення. Для зварювальних апаратів  використовують знижувальні трансформатори. Для зварювання потрібні дуже сильні струми, і трансформатор зварювального апарата має усього єдиний вихідний виток.

Слайд 4. В медицині

Слайд 5. Випробувальні трансформатори. Для випробування високовольтного електротехнічного обладнання 

Слайд 6 Автотрансформатори. Автотрансформатори ручного регулювання напруги на виході

Слайд 7. Стабілізатори напруги. Незначні зміни на вході не дають значних змін на виході. Це дозволяє не порушувати режим роботи комп’ютерів, телевізорів і іншої техніки.

Отже, як бачимо трансформатори невеликих потужностей (десятки ватт) використовуються головним чином в лабораторіях та побуті, вони мають також невеликі розміри (наприклад у зарядових пристроях для мобільних телефонів використовують знижувальні трансформатори) , у радіотехніці, у всіх побутових електроприладах.

  Багатьом доводилося мати справу з бобінами автомобіля. Бобіна – це підвищувальний трансформатор. Для створення іскри, що підпалює робочу суміш, потрібна висока напруга, яку ми й одержуємо від акумулятора автомобіля, попередньо перетворивши постійний струм акумулятора в змінний за допомогою переривача. 

 Розміри трансформаторів можуть  бути різними  від горошини до велетнів вагою в 500 тонн. Зменшення габаритів трансформаторів досягається  за рахунок більш ефективного відведення тепла за допомогою вентиляторів, зовнішніх радіаторів, спеціальних насосів.  В даний час функції трансформаторів можуть брати на себе напівпровідникові прилади. Однак трансформатори ще будуть виконувати свою службу досить тривалий час .

6. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму 

Пояснення вчителя

Споживачі  електроенергії є всюди, а виробляється вона порівняно в небагатьох місцях, тому виникає потреба передавати її на великі відстані .

Під час передавання електричного струму велика кількість електричної енергії йде на  нагрівання проводів . Згідно із законом    Джоуля-Ленца :

Q = I²Rt

Як знизити втрати у лініях електропередач ? Є два шляхи :1) зменшити опір провідників  R= значить  збільшити  S – площу поперечного перерізу провідника

Але для зменшення R, приміром, у 100 разів потрібно збільшити масу проводу також у 100 разів. Зрозуміло, що не можна допустити такої великої витрати дорогого кольорового металу, не говорячи вже про труднощі закріплення важких проводів на високих щоглах і т.п. або

2) зменшити силу струму , збільшивши напругу.

Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість тепла, що виділився в провідниках, у 100 разів, тобто досягається той же ефект, що і від сторазового  обваження дроту.

Висновок:  щоб  знизити втрати   в лініях електропередач  потрібно збільшити напругу змінного струму за допомогою підвищувальних трансформаторів.

Так генератори виробляють струм напругою від 6 до 20 кВ, а трансформатори її підвищують до декількох  сотень кіловольтів. Після цього електричний струм подають на лінії електропередач.

На місцях споживання електроенергії за допомогою знижувальних трансформаторів напругу зменшують і далі електроенергія передається по низьковольтним лініям передач.  Біля будинків знаходяться трансформаторні будки,  у  яких  напруга змінного струму зменшується за допомогою знижувального трансформатора до 220 В і подається  в електромережу.

Повідомлення учня «Про шкідливий вплив ЛЕП»

Особливо сильний вплив для здоров'я надають високовольтні лінії електропередач(ЛЕП). Напруженість поля безпосередньо під ЛЕП сягає часом десятків кіловольт на метр.  Дослідження засвідчили, що  біологічний вплив ЛЕП залежить від тривалості перебування людини у електричному полі. Найбільш уразлива нервова система. Після неї  можуть бути розлади роботи  серцево-судинної системи,зміни у складі крові.  Вченими встановлено потенційна небезпека перебування людини,в електричному полі,напруженість якого за 25 кВ/м. У зоні ЛЕП небажано гуляти,кататися на лижах,особливо дітям

 

 

 

Презентація  «Виробництво електроенергії в Україні»

Сучасний розвиток суспільства нерозривно пов'язаний зі зростанням темпів виробництва енергії. На сьогодні 6 млрд людей на Землі споживають більше 12 млрд кВт енергії за рік, тобто в середньому 2млрд кВт на людину. Тому темпи зростання виробництва енергії перевищують нині темпи приросту населення на Землі.

Презентація  «Виробництво електроенергії в Україні»

На сьогодні Україна є однією з країн світу, де енергія використовується найменш ефективно. Енергетика України складається з 15 ТЕС, 5АЕС, 8 ГЕС та нетрадиційних джерел енергії, а саме 78 малих ГЕС, 27 СЕС, 13 ВЕС, 2 біоенергетичних  станцій.

ТЕС виробляють — 48% енергії, АЕС—33%, ГЕС—12%, а решту –7% альтернативні джерела енергії.

Які ж переваги та недоліки кожної з них ?

Теплові ЕС. ККД ТЕС складає 35-55%.

Переваги:

1) дешеві у будівництві;            

2) близьке розташування біля споживача

3) різні види органічного палива (вугілля, нафту , газ)

4) виробляють тепло для опалення міст  

 Недоліки:

1) хімічне забруднення  повітря (карбон (ІV) оксид, сполуки  Нітрогену,    свинцю)                       

2) згорає кисень, виділяється вуглекислий газ, що веде до «парникового ефекту»

3)  кислотні дощі

4) сильне теплове забруднення води

5) невідновне пальне 

6)шумове забруднення навколишнього середовища                                

 ТЕС, що працюють на вугіллі, викидають в атмосферу більше радіоактивних речовин, ніж АЕС тієї ж потужності. Високий ризик для життя людини становить  видобування кам’яного вугілля у шахтах.

Атомні ЕС. ККД АЕС складає 30%

Переваги:                                             

1)  великі запаси пального

2)  Немає хімічних забруднювачів

Недоліки:

1) проблема утилізації ядерних відходів

2) загроза вибуху

3) теплове забруднення води

ГЕС. ККД ГЕС складає 95%

Переваги :

1)  дешева енергія

2) відтворюване джерело

3) не забруднюють повітря

Недоліки : 

1) затоплення земель

2) зменшення вмісту кисню, що протікає через греблю

3) зниження швидкості руху річок, цвітіння води

4) заболочування, розмивання берегів

5) скорочення кількості риби

В умовах складної екологічної ситуації  на Землі, перед усіма країнами світу постає завдання пошуку та запровадження нетрадиційних відновлювальних джерел енергії. Ця стратегія, розроблена  Національною академією наук і Міністерством палива та енергетики України базується на проекті « Енергетична стратегія України на період до 2030року». Основні напрямки розвитку відновних джерел енергії вбачаються у використанні енергії вітру, Сонця, біоенергії, геотермальної енергії.

Вітрові ЕС. ККД  ВЕС 10%.

Популярність її використання швидко зростає. Відомо, що першу в світі вітрову електростанцію потужністю 100кВт було споруджено в Криму, біля Севастополя  в  1931 р. за проектом Юрія Кондратюка. На сьогоднішній день в Україні 13 ВЕС.

Переваги :

- екологічно чисте відновлювальне джерело

Недоліки :

1) шумові забруднення

2) велика площа

3) нестабільність роботи

Сонячні ЕС

В недалекому майбутньому люди все більше будуть використовувати енергію Сонця. ККД СЕС 12%.

Переваги:

- екологічно чисте відновлювальне джерело

Недоліки:

1) висока собівартість  будівництва

2) велика площа

3) мала густина

 Сонячна  ЕС збудована в Криму в м.Євпаторія. Зараз в деяких місцях світу є будинки   із фотоелектричними дахами. В Україні теж є такі  розробки. Прикладом є «будинок  нуль енергії»  у Львові , а також  будинок у Києві.

Біоенергія

-вироблення енергії із відходів сільськогосподарської продукції. В перспективі біомаса в Україні здатна забезпечити 50% нетрадиційних джерел енергії.

Використання електроенергії.

Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії.

А) промисловість — 56%   

Б)  металургія — 21%  

В) побут – 12%

Г)  транспорт – 7%

Д)  сільське  господарство  – 4%

V. Узагальнення і систематизація знань.

Розв’язати задачу.

№1

Скільки витків повинна мати вторинна обмотка трансформатора  для підвищення напруги від 220 В  до 11000В, якщо в первинній обмотці 20 витків? Який коефіцієнт трансформації ?

 

                         

№2

 Сила струму у первинній обмотці трансформатора  0,5 А, напруга на її кінцях 220В. Сила струму у вторинній обмотці 10А, а наруга на її кінцях 10 В. Визначте ККД трансформатора.

 

                

Самостійна робота учнів.

Дати відповіді на питання  і записати їх у таблицю:

1. Який прилад використовують для перетворення змінного струму та напруги ?

А) генератор         Б) трансформатор              В) вольтметр

2.  Чи змінює трансформатор частоту змінного струму ?

А) ні                         Б) так                    В) змінює, якщо він навантажений

3.Яке числове значення має коефіцієнт трансформації у підвищувальних трансформаторах ?

А)   k=1                    Б )  k<1                В)  k>1

4. Ви придбали електроприлад, розрахований на напругу 110В , а в мережі напруга 220 В,   з яким       коефіцієнтом  трансформації  вам потрібно підключити до мережі трансформатор, щоб електроприлад не перегорів ?

А)  k= 0,5                Б)   k=  3                       В) k= 2

5. З якою метою під час передачі електроенергії на великі відстані підвищують напругу змінного струму ?

А) щоб збільшити потужність струму

Б) щоб зменшити втрати енергії на нагрівання проводів ліній електропередачі

В) для запобігання перевантаження  генератора

6. Який трансформатор потрібно поставити на вході у місто?

А) знижувальний

Б) підвищувальний

В) Трансформатор не потрібний

7  Первинна обмотка трансформатора має 660 витків. Скільки витків у вторинній обмотці, якщо трансформатор призначений для підвищення напруги з 220В до 380В?

 

 

 

VI. Домашнє завдання. Оцінювання учнів.

§ 41  –  вивчити;

Задача

Трансформатор підвищує напругу з 220В до 660В і має у первинній обмотці 850 витків. Обчислить коефіцієнт трансформації та число витків у вторинній обмотці.

Прийом "Творча лабораторія": 

Пропозиція підтримати ідею енергозбереження та створення разом буклету корисних порад енергозбереження

Корисні поради щодо енергозбереження, пропоновані учнями:

-  вимикайте світло та електроприлади,  коли вони вам не потрібні;

-  купуйте техніку з низьким енергоспоживанням;

-  використовуйте енергозберігаючі лампи;

-  встановіть  лічильники води, тепла, газу;

-  не ставте холодильник біля плити, не залишайте його відкритим довше, ніж це необхідно;

-  мийте вікна та плафони;

-  не кип'ятіть води більше, ніж вам необхідно;

-  замінити старі батареї опалення на нові.

VIІ. Підведення підсумків уроку. Оцінювання учнів.

VIІІ. Проблемне питання

1) Як передати енергію з  найменшими втратами?

2) Як перетворити напругу з високої на низьку і навпаки?