Урок " Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму""

Трансформатор. Виробництво, передача,

та використання енергії електричного струму.

Мета уроку:     ознайомити учнів  з будовою , принципом дії   та призначенням трансформатора ;  пояснити способи передавання електроенергії на великі відстані з мінімальними втратами; 

розвивати креативність мислення  та

                            творчу активність учнів у пошуках  нових знань;

 виховувати політехнічний світогляд та бережливе  ставлення до         споживання  електроенергії та енергоресурсів.

          Тип уроку:     урок засвоєння нових знань

Міжпредметні зв’язки : математика,  історія,  електротехніка,     інформатика, географія, екологія

           Обладнання: трансформатори, роздатковий матеріал, схеми,  малюнки, слайди, мультимедійний   проектор.

          Очікувані результати:             після уроку учні

        знатимуть:     1)   будову та принцип дії трансформатора;

2)  фізичні характеристики трансформатора;

3)  для чого використовують трансформатори;

4) де використовують трансформатори;

вмітимуть :1) обчислювати коефіцієнт трансформації та  ККД трансформатора;

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

Наука в наші дні захоплює більше ,

ніж будь-які романи.

Ромен Ролан

Хід уроку

      І. Організаційний момент. Привітання. Відмітка в журналі відсутніх.

      ІІ. Актуалізація опорних знань та життєвого досвіду учнів.

Сьогодні на уроці ми продовжуємо вивчати практичне використання закону ЕМІ.

Опитування учнів методом «мікрофон»

    Шляхом фронтального опитування :

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

6)Які типи електричних станцій ви знаєте ?

7)Які нетрадиційні способи електроенергії вам відомі ?

Сьогодні будуть заслухані проекти та виступи учнів класу . Слово надається ..

Я хочу захистити проект на тему  «Виробництво електроенергії в Україні»

Перший учень  –  традиційні джерела енергії

Другий учень -- нетрадиційні  джерела енергії

Презентація №1 «Виробництво електроенергії в Україні»

Учень 1

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 2кВт на людину . Тому темпи зростання виробництва енергії перевищують нині темпи приросту населення на Землі.

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

Гідро ЕС

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

Учень 2

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 ( перший  в Україні,Ю 2005р ) , є будинок у Києві.

Біоенергія

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

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів. Повідомлення теми, цілей та завдань уроку.

Споживачі  електроенергії є всюди, а виробляється вона порівняно в небагатьох місцях, тому виникає потреба передавати її на великі відстані . Як знизити втрати у лініях електропередач ? Електрорушійна сила генераторів електростанцій велика. При передачі використовується напруга в сотні кіловольт. Але на  практиці потрібна не дуже  висока напруга. Так більшість  електропобутових приладів розрахована  на напругу  220В, промислові двигуни на 360 ,600В . Напругу потрібно постійно перетворювати.  Отже перед нами дві проблеми:

1. Передати енергію з з найменшими втратами.
2. Перетворити напругу з високої на низьку і навпаки.  

   Чи можна вирішити ці проблеми?

     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 . Формування  нових умінь і навичок.

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.

Повідомлення №2   « 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 розробив систему «дроблення» електричної енергії, вперше використавши 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

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

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 ЕМІ запишемо:

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 появився 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

                                оскільки

 4. ККД трансформатора                  

                                                                   ККД трансформатора                                                                          

      5.Застосування трансформаторів

  Проект   « 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. Трансформатори поділяються на

      За призначенням: 1) силові

                                     2) вимірювальні

                                     3) спеціальні

  За конструкційними особливостями:

                                         1)  автотрансформатори

                               2) двообмоткові

                                              3) багатообмоткові

      За кількістю фаз : 1) однофазні

                                     2) трифазні

                                     3) багатофазні

        За способом охолодження: 1) сухі(з повітряним охолодженням)

                                                   2) масляні  ( мінеральне масло )  

Слайд 1. Силові трансформатори, встановлені на електростанціях і 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, передачі 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 класу напруги 10 кВ та 35 кВ (і вище) короткочасною змінною (50 Гц) напругою до 100 кВ.

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. 

Потужні трансформатори, що перетворюють сотні та тисячі кіловат – величезні споруди. Звичайно потужні трансформатори вміщують в сталевий бак, заповнений спеціальною олією. Це покращує умови охолодження трансформатора, і, крім того, олія відіграє важливу роль як ізолююча речовина. Кінці обмоток трансформатора виводяться через прохідні ізолятори, які закріплені на верхній кришці бака .

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. Застосовуються системи випарного охолодження, однак вони поки занадто дорогі. Процес вдосконалення системи ізоляції і охолодження трансформаторів триває: поліпшуються конструкції трансформаторів, способи охолодження, ведеться пошук можливості використання надпровідності обмоток.
В даний час функції трансформаторів можуть брати на себе напівпровідникові прилади. Однак трансформатори ще будуть виконувати свою службу досить тривалий час, ефективно і непомітно підтримуючи функціонування електроенергетичних систем, від яких залежить так багато у нашому сучасному житті.

6. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму 

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 

Тому втрати енергії в лінії знижують іншим шляхом: зменшенням струму в лінії. 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 проводу.

Використовують для цього підвищувальні трансформатори , які встановлюють на електростанціях . Це сприяє зниженню теплових втрат  Враховуючи, що потужність струму дорівнює добутку напруги на струм, таке зменшення струму не змінить  потужності. Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють за напруг у декілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють струм з напругою від 6 до 20 кВ. Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори для підвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях споживання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують .Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Повідомлення  «Про шкідливий вплив ЛЕП»

Особливо сильний вплив для здоров'я надають високовольтні лінії електропередач(ЛЕП). Напруженість поля безпосередньо під ЛЕП,залежно,звісно,від неї конструкції,сягає часом десятків кіловольт на метр.
На думку вчених,основний механізм біологічного впливу електричного поля — поява  в організмі «струмів усунення». Так називається рух електрично заряджених частинок.
Дослідження засвідчили,що ступінь функціональних розладів залежить від тривалості перебування людини у електричному полі. Найбільш уразлива нервова система. Після неї  можуть бути розлади роботи і серцево-судинної системи,зміни у складі крові.  Вченими встановлено потенційна небезпека перебування людини,в електричному полі,напруженість якого за 25 кВ/м. Тут можна працювати тільки з застосуванням  засобів індивідуальної захисту.У зоні ЛЕП небажано гуляти,кататися на лижах,особливо дітям,людям  із ослабленою сердечно-судинної діяльністю.  Потрібно максимально обмежити свого перебування подібних місцях.

Використання електроенергії

     А) промисловість — 56%   

     Б)  металургія — 21%  

     В)   побут – 12%

     Г)  транспорт – 7%

    Д)  сільське  господарство  – 4%

Перший досвід використання електричної енергії для суспільних потреб на території України мав місце в Києві в 1878 р., коли відомий російський інженер О.П. Бородін застосував для освітлення київських залізничних майстерень чотири електричні світильники. У 1886 р. електричні світильники використовувалися в Києві вже для освітлення саду Шато де Флер (нині територія стадіону «Динамо») і окремих особняків заможних киян. У той же час в м. Полтаві була споруджена перша на території України електрична станція загального користування невеликої потужності.

У 1907 році за ініціативою Й. Томіцького був виконаний проект нової електростанції змінного струму і міської кабельної мережі на 5 кВт. для міста Львова. В 1908–1910 роках на території Персенківки було споруджено електростанцію змінного струму потужністю 6000 к.с. (4500 кВт), яка існує дотепер.

  Основні напрямки розвитку енергетики в Україні

1.          Розвиток атомної енергетики
2.          Удосконалення роботи теплових електростанцій
3.          Будівництво   малих  гідроелектростанцій
4.          Розвиток альтернативних джерел енергії

 Другий шлях - це зниження  споживання електроенергії  у промисловості  та  побуті.

Збереження енергії є проблемою нашого майбутнього. Неефективне використання електричної енергії є головною причиною існуючих на  нашій планеті екологічних проблем.

V.   Закріплення нових знань

      1.  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 =0           В)  k>1                Г)  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 енергії 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   

Записати відповіді у таблицю 

2. Розв’язати   задачі

№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.

VI. Підведення підсумків уроку

VII. Домашнє завдання

      Параграф 19 --вивчити

Стр. 96 , № 188,207 --розв’язати