Урок по физике на тему «Трансформатор»

Дисциплина: Физика

Раздел «Электродинамика»

Тема : Трансформатор.

Для технических специальностей

Разработчик: преподаватель физики 1 квалификационной категории Родионова Л.А.

В результате изучения темы обучающийся должен знать:

• смысл понятий: трансформатор, принцип действия и назначение трансформатора;
• вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики.

В результате изучения темы обучающийся должен уметь:

• описывать и объяснять результаты наблюдений и экспериментов: преобразование переменного тока при работе трансформатора.
• применять полученные знания для решения физических задач;
• использовать приобретённые знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для обеспечения безопасности жизнедеятельности
• воспринимать и на основе полученных данных самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сетях (сети Интернета), научно- популярных статьях.

Изучение темы способствует формированию у студентов общих и профессиональных компетенций:

• Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения задач, оценивать их выполнение и качество.
• Работать в коллективе и команде.
• Применять полученные знания в профессиональной деятельности.

Тема:  «Трансформатор»

Задачи:

• продолжить формирование знаний о явлении электромагнитной индукции на примере практического применении в трансформаторе; рассмотреть устройство, принцип действия и назначение трансформатора; продолжить формирование умений применять теоретические знания при решении задач;
• создавать содержательные и организационные условия для развития самостоятельности в добывании студентами знаний, скорости восприятия и переработки информации, культуры речи, воспитании настойчивости в достижении цели; формировать умение работать в коллективе, команде;
• развивать активность студентов, умения анализировать, сравнивать, делать выводы и обобщать.

Оборудование: модель трансформатора , трансформатор разборный, универсальный, плоская катушка замкнутая на лампочку, лампа накаливания на подставке на  220В и на 6В, провода соединительные.

Преподаватель физики

1. Орг.момент.

2. Актуализация опорных знаний.

Вопросы для фронтального опроса.

При каких условиях возникает индукционный ток?

Кто и в каком году открыл явление электромагнитной индукции?

Дать определение явления электромагнитной индукции.

Как возникает ЭДС индукции в неподвижных проводниках?

Что является причиной возникновения ЭДС в движущихся проводниках?

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

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?

3. Сообщение темы урока , постановка цели, обозначение актуальности данной темы, определение интегративных связей.

4. Изучение нового материала .

Уже который век человечество использует электрический ток в промышленных масштабах. И все эти годы используется в основном переменный ток. Наибольшее распространение получил ток, меняющий своё направление 100–120 раз в секунду, т.е. частотой 50–60 Гц. Переменный ток способен легко преобразовываться в ток другого напряжения. Генераторы электростанций вырабатывают ток напряжением 10–20 кВ , но проводам выгодно передавать ток напряжением 100–1000 кВ.

Часто на практике нам приходиться пользоваться различными приборами, аппаратурой, рассчитанными на различные напряжения. К двигателям станков на предприятиях подводится напряжение 380–660 В. Иногда даже в одном и том же аппарате применяют различные напряжения. Как видим, напряжение тока при производстве, передаче и использовании электроэнергии разное. Каким образом можно решить эту проблему?

Следовательно, существует потребность в трансформации (от лат. transformo –преобразую) электрического тока одного напряжения в ток другого напряжения. Назовите устройство при помощи которого можно изменять напряжение?

Это – трансформатор

Историческая справка. Сообщение студента

Сэкономить Его Величество
Драгоценное электричество,
Передать его потребителю,
Не прослыв при этом губителем, – 
Трансформатора назначение.
Изменяет силу тока и напряжение,
Мощность же не меняет – 
Верность себе сохраняет.

. Нашу жизнь делают проще и интереснее множество электронных устройств, которые окружают нас везде: дома, на работе, на отдыхе. Такие устройства как телевизор, мобильный телефон, компьютер стали нашими неотъемлемыми помощниками. Используя их, мы даже не задумываемся как они работают, из чего они состоят. А существуют множество составных частей этих устройств, без которых их работа была бы в принципе невозможна. Одной из таких составных частей является трансформатор.

Это универсальное устройство используется как в аппаратуре, так и является одной из главных составляющих в системе передачи электроэнергии на расстояние. Трудно назвать электронное устройство, где бы не использовался трансформатор.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое легло в основу работы трансформатора. В этом же году появилось его схематическое изображение . Хоть Фарадей в своих опыта и использовал подобие современного трансформатора, однако основное свойство трансформатора – трансформация токов и напряжений, было открыто позже.

В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена индукционная катушка (индуктивность) – прообраз трансформатора.

Датой же рождения первого трансформатора считается 30 ноября 1876 года, когда русский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником. Это был стержень с намотанными на него обмотками.

В 1884 году в Англии братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами был создан первый трансформатор с замкнутым сердечником.

В конце 1880-х инженером Д. Свинберном было изобретено масляное охлаждение трансформатора – это повысило надежность и долговечность его обмоток.

В 1889 году русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский вместе с предложенной им трехфазной системой переменного тока создал первый трехфазный трансформатор.

Дальнейшее развитие трансформаторов сводилось к усовершенствованию материала сердечника, что позволило снизить потери и значительно увеличить эффективность трансформаторов.

Сообщение студента о П.Н. Яблочкове.

Яблочков Павел Николаевич (1847 – 1894) родился 14 сентября 1847, Сердобский уезд Саратовской губернии 
умер 9 марта 1894, Саратов Ученый, изобретатель

Трудно представить, что человечество впервые увидело электрическое освещение всего 140 лет тому назад. 23 марта 1876 года Павел Николаевич Яблочков получил первый в мире патент на изобретение электрической лампы. Этот день стал исторической датой, поворотным пунктом в истории развития электросветотехники. Лампу П.Н. Яблочкова в Европе современники называли «русским светом», в России — «русским солнцем». В дальнейшем П.Н. Яблочков разработал другое, не менее важное открытие — генератор переменного тока, который позволял понижать или повышать напряжение тока и передавать электроэнергию на большие расстояния. Павел Николаевич умер в Саратове от болезни сердца, когда ему было всего 47 лет. Говорят, последними его словами были: «Трудно было там, да нелегко и здесь». Подводя этот печальный итог, мог ли думать бедный, забытый всеми изобретатель, слава которого отгорела так же быстро, как его «свеча», что и через сотни лет мы, потомки его, будем вспоминать о нем с глубоким уважением к его многотрудной жизни, благодаря которой и появилось в наших словарях это новое слово — электротехника

Преподаватель электротехники

Трансформатор осуществляет преобразование переменного тока, при этом его напряжение может уменьшаться или увеличиваться в несколько раз почти без потери мощности.

Трансформатор представляет собой выполненный из мягкого ферромагнетика сердечник замкнутой формы, на котором находятся две обмотки: первичная и вторичная, а обмотки имеют различное число витков. Концы первичной обмотки, называемые входом трансформатора, подключают к сети питающего переменного тока. Концы вторичной обмотки, называемые выходом трансформатора, подключаются к потребителю.

Условное обозначение трансформаторов на схемах.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора. На вход трансформатора подается переменное напряжение U1. В сердечнике трансформатора возникает магнитный поток, который пронизывает как первичную, так и вторичную обмотки трансформатора. В них возникают одинаковые ЭДС равные по закону Фарадея

е1 = е2 = – Ф'

ЭДС Е1 и Е2 действующие во всей первичной или вторичной обмотках, равны произведению ЭДС в одном витке е1 или е2 на число витков в обмотке N1 и N2

Е1 = е1• N1
Е2 = е2• N2

Вывод: ЭДС, действующие в обмотках, прямо пропорциональны числу витков в них.

Сила тока в первичной обмотке трансформатора во столько раз больше силы тока во вторичной обмотке, во сколько раз напряжение в ней больше напряжения в первичной обмотке:

Если пренебречь падением напряжения на сопротивлениях обмоток, когда сопротивления малы, то можно записать отношение и для напряжений на обмотках трансформатора

При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U2 будет равно наводимой в ней ЭДС Е2.

U2  Е2

В первичной обмотке ЭДС Е1 по числовому значению мало отличается от подводимого к этой обмотке напряжения U1, практически их можно считать равными.

U1  Е1

Величина, показывающая, во сколько раз данный трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации.

Если N2 > N1, то U2 > U1, коэффициент трансформации k < 1 , то трансформатор называется повышающим.

Если N2 < N1 и U2 < U1, то k > 1,  то трансформатор называется понижающим.

Режимы работы трансформатора

а) режим холостого хода - такой режим ,при котором вторичная обмотка разомкнута и ток в этой обмотке не проходит.

б) рабочий режим - такой режим ,при котором к вторичной обмотке подключена нагрузка (приемник электрической энергии)

в) режим короткого замыкания - это режим, при котором выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением ,равным нулю.

Известно, что для создания трансформаторов необходимо хорошо знать свойства материалов. На сегодня потери в некоторых трансформаторах составляют 2–3% от мощности источника. В крупных силовых трансформаторах эти потери могут иметь большие значения, и для их работы используют мощные системы охлаждения.

Потери энергии в трансформаторе

а) нагрев обмоток (джоулево тепло);

б) перемагничивание сердечника;

в) нагрев сердечника токами Фуко;

г) рассеяние магнитного потока

Сообщение студента. Типы трансформаторов.

Существуют также конструкции трансформато­ров, когда часть первичной обмотки является вторичной или наоборот Такие трансформаторы называют автотрансформаторами. Если один из контактов автотрансформатора сделать под­вижным, то можно плавно менять выходное напряже­ние. Один из типов таких трансформаторов, исполь­зуемый при лабораторных исследованиях, имеет на­звание ЛАТР. Для получения в лабораторных усло­виях переменного тока высокого напряжения за счет энергии постоянного тока применяют трансформатор особой конструкции, получивший название индукци­онной катушки Румкорфа Эта катушка позволя­ет получить между концами вторичной обмотки на­пряжение около 10 кВ.

Сообщение студента . Сварочные трансформаторы.

Сварочные работы применяются во многих отраслях промышленности. Сварщики трудятся на стройплощадках, создавая конструкции и системы различных коммуникаций, в промышленности, где применяют свой опыт и навыки в машиностроении, кораблестроении и в других областях, таких как, энергетика, нефтеперерабатывающая промышленность, сельское хозяйство. Трудно назвать такой сегмент производства, где не применялся бы труд сварщика.

Сварочные трансформаторы предназначены для проведения сварочных работ. Они преобразуют сетевое напряжение (220 В или 380 В) в пониженное напряжение, необходимое для сварки. Сварочный трансформатор – это наиболее простой и недорогой источник сварочного тока. Трансформатор постоянного тока обеспечивает легкое зажигание электрической дуги и ее устойчивое горение. Они имеют значительно меньшую цену по сравнению с другим оборудованием для проведения сварочных работ, что конечно является их основным достоинством.

В зависимости от электромагнитной схемы различают следующие типы трансформаторов:

трансформаторы с нормальным рассеянием амплитудного регулирования;

трансформаторы с увеличенным рассеянием амплитудного регулирования;

тиристорные трансформаторы (фазового регулирования);

Источник переменного тока, коим и является сварочный преобразователь напряжения, необходим при ручной сварке штучными электродами и при механизированной сварке, а также при аргонодуговой сварке легких сплавов. Одним из основных узлов источника переменного тока является сварочный однофазный трансформатор. Основное требование, которое предъявляется к сварочным трансформаторам, является возможность регулировки режима сварки в достаточно широких пределах. Основная характеристика этого сварочного оборудования заключается именно в способе регулировки, именно этим нужно руководствоваться людям желающим купить сварочный трансформатор. Так на рынке представлены трансформаторы с механическим регулированием и регулируемые подмагничиванием. Современные сварочные преобразователи напряжения оснащаются транспортировочными колесами и выпускаются в однокорпусном исполнении. Наиболее популярными моделями современных сварочных трансформаторов являются следующие типы:

ТС,

СТШ,

СТН,

ТД,

ТСК.

5.Закрепление изученного материала.

Преподаватель электротехники

1. Почему сердечники трансформаторов изготовляют из отдельных листов электротехнической стали, изолированных лаком?

Ответ : Сердечник изготавливают из специальной трансформаторной стали, чтобы уменьшить потери на перемагничивание. Его делают замкнутым – для уменьшения рассеивания магнитного потока. Сердечник выполняют не из цельного куска, а набирают из отдельных изолированных пластин для ослабления токов Фуко.

Преподаватель физики

Решение задач у доски.

Задача 1.

Трансформатор повышает напряжение с 220 B до 1,1 кВ и содержит 700 витков в первичной обмотке. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке?

Задача 2.

Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение на ней 105 B?

6- 7. Подведение итогов занятия, выставление оценок. Дифференцированное домашнее задание

1. Повторить конспект.

2. Подготовить сообщения и доклады:

«Трансформатор Николы Тесла»

« Применение сварочных трансформаторов на производстве в Пензенской области»

«Правила безопасности при работе с трансформаторами».

М. О. Доливо-Добровольский

Студент чтение стихотворения

Волну встречают грудью корабли,

Гудят мосты под ветрами натужено,

Уходят в космос спутники Земли...

И всюду, сварщик, есть твой труд !

Заслуженно

Гордишься ты профессией своей

И, если надо, не считаясь с отдыхом,

Творишь ты мир и счастье для людей

Горячим сердцем, сварки жарким сполохом !

Р. Цепенев

Здесь будет файл: /data/edu/files/i1461163555.docx (Технологическая карта урока)
Здесь будет файл: /data/edu/files/y1461764490.pptx (Презентация "История создания трансформатора")