Урок. Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії змінного струму.

Урок №  _____      Дата проведення ____________     Клас _______

Тема уроку: Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії змінного 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: відео матеріали, роздатковий матеріал,  мультимедійні презентації, мультимедійний проектор, схеми, опорний конспект, карточки із завданнями.

Демонстрації: https://www.youtube.com/watch?v=T3fROoQ19WQ&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=235 – Будова трансформатору.

https://www.youtube.com/watch?v=Zi3qS32ATho Принцип дії трансформатора

https://www.youtube.com/watch?v=nLDpfrERRSg&list=PLzYA4T7rnyZOY_8PKGv72KIpXEy-lp7kH&index=46 - Виробництво, передача і розподіл електроенергії

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 ?
7. Які типи електричних станцій ви знаєте ?
8. 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. Чому напругу необхідно змінювати.

2.     Принцип дії трансформатора.

3.     Холостий хід трансформатора.

4.     Робота трансформатора під навантаженням.

5. Як підвищити ККД трансформатора

6.  Виробництво, передача та використання енергії змінного струму.

Вивчення нового матеріалу

Чому напругу необхідно змінювати

Активний опір проводу визначається матеріалом, з якого він виготовлений, і його розмірами:  .  Для зменшення опору проводів треба або зменшувати питомий опір матеріалу, або збільшувати площу поперечного перерізу проводу.

Збільшення площі поперечного перерізу призводить до значного збільшення маси проводів. Можна зменшувати питомий опір, але це повністю не розв’язує проблеми, оскільки передання значної потужності  P = UI за відносно незначної напруги потребує досить високої сили струму.

Якщо ту саму потужність передавати за значної напруги (відповідно, за малої сили струму), то втрати енергії значно зменшуються. Тому перш ніж передавати енергію на великі відстані, необхідно підвищувати напругу. І навпаки: після того як енергія дійшла до споживача, напругу необхідно знижувати.

Такі зміни напруги забезпечують за допомогою трансформаторів.

Трансформатор — пристрій, що застосовується для підвищення або зниження напруги змінного струму.

https://www.youtube.com/watch?v=T3fROoQ19WQ&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=235 – Будова трансформатору.

https://www.youtube.com/watch?v=Zi3qS32ATho Принцип дії трансформатора

Трансформатор — електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти. Він складається зі сталевого замкненого осердя та двох розташованих на ньому обмоток.

                                                             Рис.1.                                             

Найпростіший трансформатор складається із замкненого осердя (магнітопроводу) і двох обмоток. (Рис.1. ) Осердя виготовлено з тонких пластин трансформаторної сталі, обмотки — з ізольованого мідного дроту. До однієї з обмоток, яка називається первинною і має N₁ витків дроту, подається напруга від джерела змінного струму. До другої обмотки — вторинної, яка має N₂ витків дроту, — підключають споживачів електричної енергії.

Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції.

Якщо первинну обмотку трансформатора підключено до джерела змінного струму, то струм, який іде в її витках, утворює в замкненому осерді змінний магнітний потік Ф. Пронизуючи витки первинної та вторинної обмоток, змінний магнітний потік створює ЕРС самоіндукції e₁ в первинній обмотці та ЕРС індукції e₂ у вторинній обмотці.

Оскільки ЕРС створюється тим самим магнітним потоком, то різниця фаз між ЕРС індукції первинної та вторинної обмоток дорівнює нулю. Тому в будь-який момент часу

У будь­ якому режимі роботи трансформатора відношення діючих значень ЕРС, індукованих у первинній і вторинній обмотках, дорівнює відношенню кількості витків в обмотках:

де k — коефіцієнт трансформації.

Якщо k >1 , то трансформатор знижувальний; якщо k <1 — підвищувальний.

У режимі холостого ходу виконується рівність:

Зміну напруги трансформатором характеризує коефіцієнт трансформації.
Коефіцієнт трансформації — величина, що дорівнює відношенню напруг  у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

.
 

Підвищувальний трансформатор — трансформатор, що збільшує напругу (U₂> U₁). У підвищувального трансформатора число витків N₂у вторинній обмотці має бути більшим за число витків N₁у первинній обмотці, тобто k < 1.

Понижувальний трансформатор — трансформатор, що зменшує напругу (U₂< U₁). У понижувального трансформатора число витків у вторинній обмотці має бути меншим від числа витків у первинній обмотці, тобто k > 1.

Холостий хід трансформатора

Робота ненавантаженого трансформатора називається холостим ходом.

Первинна обмотка трансформатора підключена до джерела змінного струму,  напруга на виході якого u₁. Під час проходження струму  в обмотці виникає ЕРС самоіндукції е₁. Падіння напруги на первинній обмотці дорівнює:  , де  r₁ — опір обмотки, який ми будемо вважати дуже маленьким. Тому в будь-який момент часу: u₁ ≈ -e₁, отже, для діючих значень можна записати:   .

У вторинній обмотці струм не йде (вона розімкнена), тому напруга на кінцях вторинної обмотки за модулем дорівнює ЕРС індукції  u₂+ е₂ = 0 , u₂= - e₂, відповідно  .

Таким чином, у режимі холостого ходу виконується рівність:

.

Зверніть увагу:

1) трансформатор не може здійснити перетворення напруги постійного струму, оскільки в цьому випадку магнітний потік не змінюється й ЕРС індукції не виникає;

2) трансформатор не можна підключати до джерела постійного струму: опір первинної обмотки є малим, тому сила струму в ній зросте настільки, що трансформатор нагріється й вийде з ладу.

 Робота трансформатора під навантаженням

Якщо до вторинної обмотки трансформатора приєднати навантаження, то в ній виникне електричний струм, що спричиняє зменшення магнітного потоку в сердечнику й, як наслідок, зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці. У результаті сила струму в первинній обмотці збільшиться, і магнітний потік зросте до первісного значення. Що більша сила струму у вторинній обмотці й потужність, яку вона віддає споживачеві, то більша сила струму в первинній обмотці й потужність, споживана від джерела. Оскільки втрати енергії в трансформаторі малі, то  U₁I₁ ≈ U₂I₂, звідси    U₁/U₂ = I₂/I₁.

У трансформаторі, як і в будь-якому технічному пристрої, існують втрати енергії.

Під час роботи навантаженого трансформатора для діючих значень напруги і сили струму справджується приблизна рівність:

Це означає, що в підвищувальному трансформаторі сила струму більша в первинній обмотці U₁< U₂ =>  I₁> I₂,  а в понижувальному трансформаторі сила струму більша у вторинній обмотці  U₁> U₂ =>  I₂> I₁.Якщо трансформатор ідеальний (втрати енергії дорівнюють нулю), то у скільки разів він збільшує напругу, у скільки ж разів він зменшує силу струму, і навпаки.

Як підвищити ККД трансформатора

У трансформаторі, як і в будь-якому іншому технічному пристрої, існують певні втрати енергії.

Відношення потужності Р₂ , яку трансформатор віддає споживачу електричної енергії, до потужності Р₁, яку трансформатор споживає з електричної мережі, називається коефіцієнтом корисної дії трансформатора:

Основні втрати енергії в трансформаторі й технічні прийоми, які використовують для зменшення цих втрат, наведені в таблиці.

Деякі трансформатори завдяки своїй конструкції мають ККД до 99 %.

Застосування трансформаторів

Підвищувальні трансформатори розташовують поблизу генераторів змінного струму, встановлених на електричних станціях, що дозволяє здійснювати передавання електроенергії на далекі відстані за високих напруг (більше 500 кВ), завдяки чому втрати енергії в проводах значно зменшуються.

У місцях споживання електроенергії встановлюють понижувальні трансформатори, в яких висока напруга, що подається від високовольтних ліній електропередач, знижується до порівняно невеликих значень, за яких працюють споживачі електричної енергії

Окрім систем передавання й розподілу електроенергії, трансформатори застосовують у випрямних пристроях, у лабораторіях, для живлення радіоапаратури, приєднання електровимірювальних приладів до кіл високої напруги, електрозварювання тощо.

Виробництво, передача та використання енергії електричного струму 

Пропоную переглянути відео https://www.youtube.com/watch?v=nLDpfrERRSg&list=PLzYA4T7rnyZOY_8PKGv72KIpXEy-lp7kH&index=46 - Виробництво, передача і розподіл електроенергії

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.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Який принцип покладено в основу робота трансформатора?

2. Чи можна трансформувати постійний струм?

3.Чому електричну енергію на більші відстані передають під високою напругою?

4. Чому перш ніж подавати споживачам електричну напругу, її знижують?

Другий рівень

1. Чому ненавантажений трансформатор споживає дуже мало енергії?

2. У який з обмоток понижувального трансформатора (первинній чи вторинній) діаметр проводу має бути більшим? Відповідь поясніть.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ  

1)    Якісні питання

1 Струм у вторинній обмотці трансформатора залежить від опору підключених приладів. Чи змінюється у зв’язку із цим струм у первинній обмотці і якщо так, то як це відбувається?

2.  Обмотки трансформатора зроблені із проводів різної товщини. Яка з обмоток містить більше витків? Чому?

Домашнє завдання.

Вивчити параграф 21, виконати завдання з вправи 21 (1-4).

Підготувати проект за темами поданими у підручнику на стр. 256-257.