Учебная дисциплина: Физика
Профессия: Электромонтёр по ремонту и обслуживанию электрооборудования
Курс обучения: второй
Тема урока: Трансформаторы. Решение задач.
Цели урока:
Учебное воздействие:
Изучить назначение, устройство и принцип действия трансформатора; рассмотреть примеры практического применения трансформаторов.
Развивающее воздействие: развивать умения выбирать и излагать главное, делать выводы: способствовать развитию логического мышления;
Воспитательное воздействие: воспитывать интерес к изучению физики через примеры профессиональной направленности.
Оснащение урока:
Оборудование: макеты трансформаторов, действующий трансформатор, 2 вольтметра, 2 лампочки, соединительные провода, задания приложений.
Электронные издания:
"Физика в школе" - электронные уроки и тесты - "Получение и передача электроэнергии";
Презентация к уроку;
ТСО: компьютеры, мультимедиапроектор
Тип урока:комбинированный
Урок рассчитан на 80 минут
Конспект урока
Организационно — мотивационный этап (10 мин).
Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и водных ресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток вызывает их нагревание (Слайд 1)
Как бы вы предложили решить данную проблему?
1) При помощи увеличения размеров поперечного сечения проводника увеличить передаваемое напряжение, при этом уменьшая его сопротивление ().
Данное решение проблемы является невыгодным, так как требуются огромные затраты для изготовления нового кабеля и опор.
2) Необходимо уменьшить силу передаваемого тока при условии постоянного значения мощности.
(Слайд 2) Осуществить это можно при помощи прибора, который называется трансформатор.
(Слайд 3) Тема урока — «Трансформаторы».
(Слайд 4) Целью урока является рассмотрение устройства, принципа действия прибора и практического использования трансформатора.
На уроке мы изучим новую тему с использованием материалов электронного издания, решим задачи и в конце урока выполним задание в тестовой форме на компьютере.
Работать в течение урока будете на листах. Ваша задача заключается в заполнении 2 столбца таблицы (Приложение 1). Для того изучения нового материала необходимо ответить на вопросы:
1) В чём заключается явление электромагнитной индукции?
2) Дайте понятие магнитного потока и запишите формулу для его расчёта.
3) Сформулируйте закон электромагнитной индукции.
4) Какой ток называется переменным?
Изучение нового материала (25 минут)
Немного истории…
Много лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии.
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 .
В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена индукционная катушка — прообраз трансформатора.(Слайд 6)
(Слайд 7) Яблочков Павел Николаевич в 1878 году использовал трансформатор для питания «электрических свечей» - нового в то время источника уличного света.Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник.
(Слайд 8) Идея Яблочкова была развита сотрудником Московского университета Усагиным Иваном Филлиповичем.
Летом 1882 года на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве И. Ф. Усагин продемонстрировал своё изобретение — трансформатор промышленного типа, который значительно отличался от трансформатора П. Н. Яблочкова. Это была индукционная катушка оригинальной конструкции, позволяющая включать в цепь несколько источников света.При помощи трансформатора Усагина был освещён павильон электричества промышленно-художественной выставки. Своё изобретение Усагин называл «вторичным генератором».
В 1884 году в Англии братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами был создан первый трансформатор с замкнутым сердечником.
В конце 1880-хинженером 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.(Слайд 9)
(Слайд 10) Трансформатор — это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока, при котором напряжение уменьшается или увеличивается в несколько раз практически без потерь мощности
(Слайд 11)А теперь познакомимся с устройством трансформатора. На столах лежат макеты трансформаторов, внимательно рассмотрите их, укажите основные элементы трансформатора.
Ответы обучающихся:
Замкнутый стальной сердечник, состоящий из отдельных пластин.
Вопрос: Для чего сердечник изготавливают из пластин?
Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нём индукционных токов. Изготовление его из тонких стальных листов, изолированных друг от друга, приводит к значительному увеличению электрического сопротивления и уменьшению потерь на нагревание.
Катушки с проволочными обмотками - две, иногда более;
1– первичная — подключается к источнику переменного напряжения, 2- вторичная - к потребителю
(Слайд 12) Обозначение трансформатора в цепи:
Самостоятельная работа учащихся с ЭИ «Физика в школе » Получение и передача электроэнергии ( Слайд 13)
Ознакомится с инструкцией по работе;
Заполнение таблицы.
Закрепление материала: (Слайды 14-18)
1) Проверка заполнения учащимися таблицы при повторении (10 минут).
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.
Трансформатор на холостом ходу — работа при разомкнутой цепи вторичной обмотке:
Мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:
Если Ф = Ф0 соsωt, то е´ = ω Ф0 sinωt, или е = E0 sinωt ,где E0= ω Ф0 - амплитуда э.д.с. в одном витке.
В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индукции e1 равна п1е., во вторичной обмотке полная ЭДС е2 равна п2е, где п2 - число витков этой обмотки.
Отсюда следует, что
Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:
u1 + e1 = i1 R1,
где R1 - активное сопротивление обмотки, а i1 -сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и произведением i1 R1 можно пренебречь. Поэтому u1 ≈ - e1. (2)
При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение u2 ≈ - e2 (3)
Так как мгновенные значения электродвижущих сил e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U:
k — коэффициент трансформации.
Если k < 1 — трансформатор повышающий; k > 1 — трансформатор понижающий.
Демонстрация опыта:
Показываю опыт с 2 лампами накаливания и понижающим трансформатором. Предлагаю обучающимся объяснить его.
(Слайд 19)Нагруженный трансформатор
При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и U2 становится более сложной.
Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи , ;
где I1 и I2— действующие значения силы в первичной и вторичной обмотках.
поэтому, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
(Слайды 20 -22) Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Существует два типа трансформаторов: бытовые и силовые
Бытовые используют в источниках питания различных электроприборов, технологических и медицинских рентгеновских установках, электропечах, плазменных и лазерных установках, устройствах радиолокации и электроники.
В бытовой технике используют понижающие трансформаторы.
Силовые трансформаторы используют в линиях электропередач.
Мощные трансформаторы помещают в бак, заполненный охлаждающим маслом.
Трансформаторы бывают:
1) Разделительные - используются для обеспечения электрической безопасности приборами бытового и промышленного назначения. Рекомендуется подключать оборудование через разделительный трансформатор в случае отстутствия надёжного заземления, при работе на открытом воздухе, в помещениях с повышенной влажностью, при контакте электроприбора с водой и металлами.В данных условиях возможна опасность поражения электрическим током при повреждении изоляции электроприбора. Данные трансформаторы обеспечивают безопасность работы с электрооборудованием.
2) Измерительные - используют для измерения очень больших, очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях.
2) Решение задач (25 минут)
(Приложение 2)
Контроль знаний (5 минут):
Выполнение на компьютере задания в тестовой форме. После выполнения задания у каждого обучающегося на экране результат работы. (Приложение 3)
Рефлексия (2 минуты) Откройте на рабочем столе документ «Моя оценка урока» и выберете тот трансформатор, который соответствует вашей работе на уроке (Приложение 4).
Подведение итогов урока.
Краткие итоги урока, оглашение результатов работы.
Домашнее задание §38 упр. 5. Подготовьте сообщение о учёном, принявшем участие в изобретении трансформатора.
Приложение 1
Таблица для заполнения обучающимися
|
Понятия |
Определение |
|
Трансформатор — это… |
|
|
Кем был изобретён трансформатор |
1) 2)
|
|
Устройство трансформатора |
1) 2) 3) |
|
Обозначение трансформатора в цепи |
|
|
На каком явлении основан принцип действия? |
|
|
Трансформатор на холостом ходу а)Чем характеризуется трансформатор? Б) Какие трансформаторы бывают (в зависимости от коэффициента)
|
|
|
Работа нагруженного трансформатора |
|
|
Где применяют трансформаторы |
|