Урок на тему «Получение переменного электрического тока»

Урок на тему «Получение переменного электрического тока».

Тип урока: изучение нового материала.

Цели урока:

Обучающая

Закрепление знаний по теме «Явление электромагнитной индукции».

Изучение устройства и принципа действия генератора переменного тока и его применения.

Развивающая

Развитие познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе наблюдений и демонстрации эксперимента.

Воспитательная

Воспитание интереса к предмету, вооружение учащихся научными методами познания, позволяющими получить объективные знания об окружающем мире.

Воспитание ответственного отношения к природе, как социальной черты личности.

Оборудование

Источник тока (ВС – 24М);

Демонстрационный разборный трансформатор;

Ключ, гальванометр, электронный осциллограф, лампочки (220В, 40Вт; 3,5В, 0,2А)

Плакаты.

Компьютер и проектор.

 

Ход урока

Организационный момент

Проверка домашнего задания.

1. Какую задачу в 1821 году поставил перед собой учёный М. Фарадей?

2. Как он решил эту задачу? (Ученик демонстрирует опыты)

3. Сделать вывод: при каком условии во всех опытах в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?

4. В чём заключается явление электромагнитной индукции?

5. В чём практическая важность открытия явления электромагнитной индукции?

6. Назовите фамилии отечественных учёных, внесших большой вклад в разработку и создание генераторов электрической энергии?

Итак, мы переходим к устройству, которое дает возможность получить электрический ток, и называется генератором.

Идея получения электрического тока таким способом впервые пришла Майклу Фарадею. В его рисунках даже сохранился чертеж первого генератора.

Большинство генераторов – это т.н. электромеханические генераторы, в них за счет механического движения подвижной части такого генератора создается переменный электрический ток.

На сегодняшний день вся промышленность использует именно переменный электрический ток.

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.

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

 

Рисунок 12 - 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.

 

Рисунок 13 - 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.

Большое значение имеет вопрос о передаче переменного электрического тока. Передача переменного электрического тока на большие расстояния связана с электромагнитной индукцией. Чтобы передать переменный электрический ток, используются приборы, которые называются трансформаторами. Трансформатор – прибор для преобразования 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.

 

 

Рисунок 14 – Внешний вид трансформатора.

Трансформатор – это устройство, которое состоит из двух или большего количества катушек, надетых на общий сердечник. 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. Следовательно, 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 220 Вт, 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.

Задача

Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 1).

Стрелочки, изображенные рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д - вращается вокруг оси 00'. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Рисунок 15

 

Ответ:

Индукционный ток в кольце возникает только в случае г), так как только в этом случае изменяется магнитный поток, пронизывающий контур кольца.

Изучение нового материала.

Учитель демонстрирует опыт Фарадея, акцентируя внимание на том, что модуль и направление индукционного тока периодически меняется.

Демонстрация опыта.

Рисунок 16 – Схема демонстрации опыта и полученной осциллограммы.

Наблюдая опыт по осциллограмме напряжения, ученики должны подойти к выводу: сила тока (напряжение) в осветительной сети меняется со временем по гармоническому закону (то есть по закону синуса или косинуса). Учитель дополняет вывод информацией, что стандартная частота тока, применяемая в осветительной сети и промышленности России и большинства стран мира, равна 50Гц.

Учитель демонстрирует модель генератора переменного тока (вращение проволочной рамки в магнитном поле). Учитель заостряет внимание учащихся на том, что в генераторе происходит превращение механической энергии в электрическую.

4.Объяснение по плакату устройства современного электромеханического индукционного генератора и назначения его основных элементов.

Рисунок 17 - Устройство современного электромеханического индукционного генератора.

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.

5. Учитель демонстрирует действующую модель электростанции.

Содержание демонстрационного опыта:

Соединяем шкив водяной турбины с помощью резинового ремня со шкивом генератора. Генератор замыкаем на низковольтовую лампочку 3,5В. Подаём воду из водопроводного крана в турбину. Вращение турбины передаётся генератору. Наблюдаем свечение лампочки.

Ученики должны подойти к выводу: что механическая энергия воды (пара) превращается в механическую энергию ротора, которая в свою очередь превращается в электрическую энергию!

6. На экран проецируются фотографии промышленных предприятий.

Закрепление знаний, полученных на уроке.

1) Вопросы:

Какой электрической ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?

Где используют переменный электрический ток?

На каком явлении основано действие наиболее распростра­ненных в настоящее время генераторов переменного тока?

Расскажите об устройстве и принципе действия промыш­ленного генератора.

Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции? на гидроэлектростанции?

Какова стандартная частота промышленного тока, приме­няемого в России и многих других странах?

2) Решение задачи:

Волжская ГЭС им. В.И. Ленина построена в 1950-1957 г.г., имеет напор 30м (разность высот между верхним и нижним течением), и электрическую мощность 2300 МВт.

Рассчитать запас потенциальной энергии каждого кубического метра воды в плотине.

Оценить ежесекундный расход воды.

Дано: Решение:

V = 1 м3

1) Ep = m·g·h m = ρ·V Ep = ρ·V·g·h ≈ 300 ·103 Дж

 

2) P = W = n·Ep

- количество кубометров ежесекундно падающих с плотины

 

=

Ответ: Ep = 300 кДж, ≈

 

 

ρ = 103 кг/м3

P = 2,3 ·109 Вт

Ep - ? n = = ?

 

Подведение итогов.

Учитель подводит итоги урока, выставляет оценки ученикам, комментируя каждый ответ и оценку.

Домашнее задание:

Основной материал § 50. Упр. 40(2), стр. 168.

Дополнительный материал: подготовить сообщения по теме «Тепловые станции Тольятти» и «Экологические проблемы, связанные с работой тепловых и гидроэлектростанций».