Тема:Змінний струм. Кола змінного струму. Тема уроку: Резонанс напруг і струмів у колі змінного струму.

ПЛАН УРОКУ

 

    Тема: Змінний струм. Кола змінного струму.

    Тема уроку:  Резонанс напруг і струмів у колі змінного струму.

    Мета:

    навчальна: сформувати загальне поняття про резонанс, як явище; розглянути і вивчити резонанс напруг і струмів у колі змінного струму; пояснити, за яких умов настає резонанс; наголосити, де застосовується резонанс струмів і напруг в техніці, а також розглянути, коли він може  бути корисним та шкідливим;продовжувати вчити учнів проводити обробку результатів експерименту; формувати вміння застосовувати набуті знання для розв’язування задач пов’язаних із практичною діяльністю людини; робити висновки;

    розвивальна: розвивати в учнів мислення, уваги, вміння самостійно, грамотно висловлювати свої думки; створювати ситуацію успіху; розвивати пам’ять, логічне, наочно-образне, абстрактне та фізичне мислення, увагу, пізнавальну активність, уявлення під час проведення експериментальних досліджень; уміння працювати самостійно та в поєднанні з колективною працею, а також виховання цікавості до предмету.

    виховна:виховувати в учнів самостійність, охайність, наполегливість, старанність, працездатність, цікавість до предмету, переконати учнів, що фізичний експеримент тісно поєднаний з теорією.

    Тип уроку: урок удосконалення знань та формування експериментальних умінь і навичок розв’язувати задачі

    Вид уроку: урок-бесіда

    Методи роботи: словесні, практичні, наочні

    Форма роботи: індивідуальні, колективні (групова)

   Обладнання: лабораторне устаткування (діючі плати для дослідження резонансу напруг і резонансу струмів в колі змінного струму), вимірювальні прилади

 

 

ХІД УРОКУ

 І. Організаційна частина.

     Вітання.

ІІ. Повторення  вивченого матеріалу. Електротехнічний диктант.

На минулих уроках ми з вами розпочали вивчати тему: «Змінний струм та  кола змінного струму». Вашим  домашнім завданням було опрацювати нову тему, вивчивши основні поняття, означення, формули. Отже, розпочнемо наш урок із повторення, у такій формі,  як “електротехнічний диктант”. Він містить 12 запитань:

Електротехнічний диктант:

1. Час, протягом якого здійснюється одне повне коливання, називається….     (Періодом).

2. Кількість коливань, яку здійснює система за одиницю часу, називається….(Частотою).

3. Електричний струм, сила й напрям якого з часом змінюються, називається...(Змінним).

4. Першим змінний струм застосував російський учений…………………(П. М. Яблочков).

5.Прилад, за допомогою якого добувають змінний електричний струм називається……..(Генератором).

6. Повний опір кола змінного струму складається з……….……(Активного, реактивного індуктивного та ємнісного опорів).

7. У яких одиницях виражається активна  потужність у колі змінного струму?..........(Ватах (Вт)).

8. Дія моделі найпростішого генератора грунтується на явищі…….(Електромагнітної індукції).

9. Величина, що показує, яку частину від повної потужності стано­вить корисна, активна потужність, називається……………….(Коефіцієнтом потуж­ності           ()).

10. У нас в країні стандартна промислова частота змінного струму дорівнює ……   (50 Гц).

11. У яких одиницях виражається реактивна потужність у колі змінного струму…….……….(у вольт-амперах реактивних (вар)).

12. Закон Ома для змінного струму в довільному електричному колі має вигляд… ………….

III. Оголошення теми уроку. Мотивація мети уроку.

Отже, сьогодні ми продовжуємо з вами вивчати кола змінного струму, і темою нашого уроку є «Резонанс напруг і струмів у колі змінного струму», метою якого є сформувати загальне поняття про резонанс, як явище, розглянути і вивчити резонанс напруг і струмів у колі змінного струму, пояснити, за яких умов настає резонанс, де застосовується резонанс струмів і напруг в техніці, а також розглянути, коли він може  бути корисним та шкідливим.

IV. Вивчення нового матеріалу

– Актуалізація опорних знань у формі бесіди з учнями.

- Отже, що ж таке  резонанс взагалі. Де він спостерігається? Напевно ви всі знаєте, що таке акустична система. Якщо, наприклад, ми візьмемо окремо сам гучномовець, і підключимо його до підсилювача, то ми будемо чути коливання звукової частоти, але які вони будуть?......(Вони будуть слабкими).

- Так, добре. А якщо тепер ми візьмемо дерев’яний ящик (резонатор) із фазоінвертором – отвором, і помістимо туди гучномовець, підключивши його так само до підсилювача. Як ви думаєте, що відбудеться зі звуком?..... (Звук підсилиться).

- Правильно. А чому, як ви гадаєте?...... (Напевно тому, що збільшиться одна із певних характеристик звукових коливань).

-  Так, а саме збільшиться амплітуда коливань, внаслідок того, що система “ящик – гучномовець” почне коливатися з резонансною частотою. Тобто, амплітуда коливань системи різко зросте через те, що частота власних коливань ящика співпаде із частотою коливань гучномовця. (Амплітуда – це максимальне відхилення точки від положення рівноваги)

- Отже який можна зробити висновок?......(Резонансом називається явище різкого зростання амплітуди вимушених  коливань системи, при наближенні  частоти коливань зовнішньої сили до власної частоти коливань системи)

- Отже, явище резонансу використовується де?...(В акустиці….для підсилення та аналізу звуків). Тобто це є корисне застосування резонансу.

- А де ще ми можемо спостерігати  резонанс? Якщо, наприклад, по деякому мосту почне марширувати колона солдат, то що відбудеться з мостом? (Він почне коливатися в резонанс. Під дією періодично змінних рухів колони, у мості може різко зрости амплітуда коливань, внаслідок співпадання частоти періодично змінних рухів колони та частоти вільних коливань моста). Отже, це може призвести до пошкодження конструкції моста. Так, це є приклад негативного значення резонансу.

- Ми з вами розглянули загальне поняття резонансу, та його наслідки. А тепер повернемось до нашої теми уроку.

 

V. Пояснення  нового матеріалу.

1. Резонанс напруг, умови його настання.

- Чи існує резонанс у колі змінного струму, яке містить активний та реактивні опори?....(Так, існує, адже змінний струм – це є коливальний процес, що періодично змінюється, тобто, має всі характеристики коливального процесу – амплітуду, частоту, довжину хвилі – отже, і йому притаманний резонанс).

 Для початку розглянемо послідовне з’єднання опорів у колі  змінного струму.

Розглянемо векторну діаграму напруг і струму для цього кола (рис. 1. а, б).

- З попередніх уроків нам відомо, що? (Що спад напруги  на активному опорі за фазою збігається зі струмом , спад напруги  на ємнісному опорі відстає від струму на 90°, а спад напруги на індуктивному опорі випереджає струм на 90°.)

Вектор напруги мережі дорівнює сумі векторів окремих напруг: 

З прямокутного трикутника ОАВ знаходимо :    (1)

За законом Ома звідки повний опір (2)

Підставивши сюди значення напруги  (1), отримаємо вираз (3) :

Отже, у колі змінного струму з послідовно ввімкненими опорами,  коли індуктивний опір кола дорівнює ємнісному, або ж їхня різниця рівна нулю, настає явище, яке називається резонансом напруг.

Тобто, коли

Звідси –резонансна кутова частота

- З вищесказаного можна зробити висновок, що ознаками резонансу напруг у колі змінного струму з послідовно з’єднаними опорами є такі, як:

1. Повний опір кола мінімальний і   дорівнює активному опору. Справді, з виразу (3) випливає, що при .

2. Струм у колі максимальний, тому що повний опір його мінімаль­ний (обернена залежність)
3. Напруги , будучи однаковими за значенням, але проти­лежними за знаком, взаємно компенсуються.

4. Струм у колі збігається за фазою з напругою мережі.

   5. Напруга мережі дорівнює активному спаду напруги ().
Векторну діаграму при резонансі напруг у колі показано на рис. 1. б. Переконаємось за допомогою дослідів у правильності теоретичних висновків стосовно явища резонансу напруг в колі змінного струму при послідовному  з’єднанні  активного опору, індуктивності і ємності.

- Проведення експериментів, обробка результатів (лабораторія електротехніки – групова форма роботи).

-    Інструктаж з охорони праці під час роботи з приладами (проводиться перед початком роботи в лабораторії).     

Дослід №1. Послідовне з’єднання активного опору, індуктивності і ємності             ( резонанс  напруг).               

Схема №1.

рис. 2

 

Вимірявши струм в колі лінійну напругу  , напругу контура , напругу на конденсаторах , напругу котушки індуктивності , активну потужність Р, у випадку котушки індуктивності з осердям, отримали : ,, , і при  цьому активна потужність  Р = 2,4 Вт. Змінюючи положення осердя в котушці індуктивності для ємності C=4мкФ, тобто збільшуючи індуктивність шляхом зміни повітряного зазору осердя ми спостерігали, як поступово зростає сила струму в колі і напруга на конденсаторі. Явище резонансу напруг при якому : і настало при таких показах струму в колі:  , і при  цьому активна потужність    Р = 4,4 Вт

Вимірявши струм в колі лінійну напругу  , напругу контура , напругу на конденсаторах , напругу котушки індуктивності , активну потужність Р, у випадку котушки індуктивності з осердям, отримали : ,, , і при  цьому активна потужність  Р = 1 Вт. Змінюючи положення осердя в котушці індуктивності для ємності C=8мкФ, тобто збільшуючи індуктивність шляхом зміни повітряного зазору осердя ми спостерігали, як поступово зростає сила струму в колі і напруга на конденсаторі. Явище резонансу напруг при якому : і настало при таких показах струму в колі:  і при  цьому активна потужність    Р = 8 Вт.

   Отже, при проведенні досліду №1 покази електровимірювальних приладів довели, що в колі  струму з змінного струму з послідовним з’єднанням активного опору, індуктивності і ємності при ємності C=4мкФ і при зміні положення осердя в котушці, явище резонансу було менш яскраво виражене, ніж при  ємності С= 8 мкФ. Таким чином провівши ці дослідження і отримавши явище резонансу напруг, ми переконалися, що досягти резонанс напруг можна міняючи повітряний зазор осердя котушки індуктивності.

Явище резонансу напруг небезпечне, бо може призвести до утворення на окремих ділянках кола напруг, які значно перевищують напругу мережі. Таке підвищення напруги може призвести до пробою ізоляції мережі та ураження струмом об­слуговуючого персоналу.

2. Резонанс струмів та умови його настання.

Явище резонансу струмів спостерігається в колі змінного струму, що складається з паралельно з'єднаних індуктивного та ємнісного опо­рів. Послідовно з індуктивним  ввімкнено активний опір (рис. 3). Таке електричне коло називається розгалуженим.

 

 

рис. 3

 

     На вході кола загальний струм розгалужується на струм , який проходить по вітці з активним та індуктивним опорами, і струм , який проходить по вітці з ємнісним опором.

До обох паралельних віток підводиться спільна напруга , яка за законом Ома є незмінною.

Якщо підібрати індуктивний та ємнісний опори так, щоб індуктивний струм у колі дорівнював за значенням ємнісному : тобто вектор струму збігався за фазою з вектором напруги, то спостерігатиметься явище резонансу струмів.

Внаслідок цього загальний струм мережі  I  буде меншим, ніж струм у вітці з індуктивним та активним опорами.

Векторну діаграма резонансу струмів у колі показано на рис.3.б.

Переконаємось за допомогою дослідів у правильності теоретичних висновків стосовно явища резонансу струмів  в колі змінного струму при паралельному  з’єднанні   індуктивного і ємнісного опорів.

Дослід №2. Паралельне з’єднання  індуктивного і ємнісного опорів ( резонанс  струмів).               

Схема №2.

рис. 4

    Одним із способів досягнення резонансу струмів є зміна індуктивності  L або ємності  С, яка змінить частоту власних коливань контуру для зрівнювання з частотою генератора.

    Змінюючи положення осердя в котушці індуктивності, тобто індуктивність при постійній ємності, доб’ємося мінімальних показів амперметра. Ввімкненого в нерозгалужену ділянку кола, що відповідає резонансу струмів. При цьому прикладену напругу необхідно підтримувати постійною.  Для ємності  C=4мкФ, змінюючи індуктивність шляхом зміни повітряного зазору осердя ми спостерігали, як зменшився струм у колі і ставав менший ніж струм у вітках. Явище резонансу струмів при якому : і настало при таких показах струму в колі:  , і при  цьому активна потужність   Р = 1 Вт, яка при резонансі струмів мала за величиною, так  як величина велчина загального струму мінімальна і в більшості випадків контур має малий активний опір R. Струм у вітках:

. Зсув фаз між загальним струмом і напругою дорівнює нулю, а , тобто φ = 0˚. ==1

Проведемо такі ж дослідження і для ємності  C=8мкФ, змінюючи індуктивність шляхом зміни повітряного зазору осердя ми спостерігали, як зменшився струм у колі і ставав менший ніж струм у вітках. Явище резонансу струмів при якому : і настало при таких показах струму в колі:  , і при  цьому активна потужність   Р = 3 Вт, яка при резонансі струмів мала за величиною, так  як величина велчина загального струму мінімальна і в більшості випадків контур має малий активний опір R. Струм у вітках:

Зсув фаз між загальним струмом і напругою дорівнює нулю, а , тобто φ = 0˚. ==1

Завдяки проведеним дослідженням, ми переконалися. Що при резонансі струмів реактивні струми замикаються в паралельному контурі і можуть в десятки разів перевищувати струм в провідних частинах. Зсув фаз між загальним струмом і напругою дорівнює нулю, а , тобто φ = 0˚.

Застосування:

- Явище резонансу струмів має велике практичне значення. Якщо до електродвигуна змінного струму, що має активний та індуктивний опори, паралельно приєднати конденсатор такої ємності, щоб у колі настав резонанс струму, тобто щоб то струм у підвідних проводах (загальний струм ) стане меншим, ніж струм, який спожи­ває двигун.

Як наслідок, струмове навантаження в підвідних проводах, трансфор­маторах на знижувальних підстанціях і генераторах електростанцій зменшиться. Отже, для живлення двигуна можна буде взяти проводи меншого поперечного перерізу, ніж при відсутності резонансу стру­мів. Однак, необхідна потужність трансформаторів і генераторів при цьому знизиться.

- Явище електричного ре­зонансу струмів використовується під час здійснення радіозв'язку. Радіохвилі від різних передавальних станцій збуджують в антені радіоприймача змінні струми різних частот. Але тільки у випадку резонансу, коливан­ня сили струму в контурі будуть значними. Настроювання контуру на потрібну резонансну частоту звичайно здійснюється шляхом зміни ємності кон­денсатора

VI. Закріплення вивченого матеріалу. 

На закріплення вивченого матеріалу розв’яжемо задачу:

 

У коло змінного струму ввімкнено три послідовно з'єднаних опори: ак­тивний Ом, індуктивний у вигляді соленоїда індуктивністю мГн, та ємнісний у вигляді конденсатора ємністю С = 0,8 мкФ. Знайти частоту, при якій в колі настане резонанс напруг, а також струм при цій частоті, якщо напруга

 

 

 

 

 

 

Розв’язання:

Дано:                                     За умовою резонансу напруг: 

                    Звідки знайдемо  :    ;   ;

                

                   =

                         =  

                          При резонансі напруг а    

             Тоді

                               

Відповідь:

 

VII. Підсумок уроку (у формі запитань до учнів).

-Яку тему  на сьогоднішньому уроці ми з вами вивчили  ? (Резонанс напруг і струмів у колі змінного струму).

- Що називають резонансом напруг у колі змінного струму? (Резонансом в електричному коливальному контурі називається явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань сили струму, коли частота зовнішньої змінної напруги збігається з власною часто­тою коливального контуру).

 

- За яких умов спостерігається резонанс напруг? (Резонанс напруг спостерігається у колі з послідовно увімкненими опорами, коли індуктивний опір кола дорівнює ємнісному.)

 

- Коли спостерігається резонанс струмів у колі змінного струму? (Якщо індуктивний струм у колі дорівнює за значенням ємнісному - тобто вектр струму збігаєтья за фазою з вектором напруги, то спостерігатиметься явище резонансу струмів).

- Яка є необхідність урахування резонансу в техніці у електричних силових колах? (У деяких випадках резонанс в електричному колі може завдати великої шкоди. Якщо коло не розраховане на роботу в умовах резонансу, то виникнення резонансу призведе до аварії. Надмірно великі струми можуть перегріти проводи, а великі напруги призведуть до пробою ізоляції.)

 

-Де застосовується резонанс? 1.(Явище електричного ре­зонансу струмів використовується під час здійснення радіозв'язку. Радіохвилі від різних передавальних станцій збуджують в антені радіоприймача змінні струми різних частот. Але тільки у випадку резонансу коливан­ня сили струму в контурі будуть значними, і ми почуємо мовлення станції).

2. (За допомогою явища резонансу можна зменшити підвідні струми до різних споживачів, внаслідок чого можна використовувати провідники меншого перерізу).

 

Обґрунтування та виставлення оцінок

 

VIІІ. Домашнє завдання

1. А.Е. Зорохович, С.С. Крылов  «Основы электротехники для локомотивных бригад»,  § 56.