Трансформатор

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

4. Електромагнітні коливання й хвилі

УРОК 8/50

Тема. Трансформатор

Мета уроку: з’ясувати призначення й принцип дії трансформатора.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань

3 хв.

1. Умови виникнення резонансу в електричному колі.

2. Використання резонансу.

Демонстрації

3 хв.

Будова і робота трансформатора.

Вивчення нового матеріалу

27

хв.

1. Чому напругу необхідно змінювати.

2. Принцип дії трансформатора.

3. Холостий хід трансформатора.

4. Робота трансформатора під навантаженням.

Закріплення вивченого матеріалу

12 хв.

1. Якісні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Чому напругу необхідно змінювати

Активний опір проводу визначається матеріалом, з якого він виготовлений, і його розмірами:  Трансформатор

class=""/> 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.

O Трансформатор – пристрій, що застосовується для підвищення або зниження напруги змінного струму.

Далі розглянемо будову трансформатора.

2. Принцип дії трансформатора

Змінний струм у первинній обмотці створює змінне магнітне поле. Завдяки сталевому сердечнику вторинну обмотку, намотану на той самий сердечник, пронизує практично таке саме змінне магнітне поле, що й первинну.

Оскільки всі витки пронизані тим самим змінним магнітним потоком, внаслідок явища електромагнітної індукції в кожному витку генерується одна і та сама напруга. Тому відношення напруг U1 і U2 на первинній і вторинній обмотках дорівнює відношенню числа витків у них:

 Трансформатор

Зміну напруги трансформатором характеризує коефіцієнт трансформації.

O Коефіцієнт трансформації – величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

 Трансформатор

Підвищувальний трансформатор – трансформатор, що збільшує напругу (U2 > U1). У підвищувального трансформатора число витків N2 у вторинній обмотці має бути більшим за число витків N1 у 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.

3. Холостий хід трансформатора

Робота ненавантаженого трансформатора називається холостим ходом.

Первинна обмотка трансформатора підключена до джерела змінного струму напругою щ. При цьому в обмотці виникає ЕРС самоіндукції e1. Спадання напруги на первинній обмотці дорівнює: i1r1 = u1 + e1, де r1 – опір обмотки, який ми будемо вважати дуже маленьким. Тому в будь-який момент часу: u1 ? – e1, отже, для діючих значень можна записати:  Трансформатор

Для другої обмотки: u2 + е2 = 0 , u2 = – e2,  Трансформатор

Таким чином, у режимі холостого ходу виконується рівність:

 Трансформатор

4. 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.

Це означає, що в підвищувальному трансформаторі U1 < U2 й I1 > I2, а в понижувальному трансформаторі U1 > U2 й I2 > I1.

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

Відношення потужності, яку трансформатор віддає споживачеві електричної енергії, до потужності, яку трансформатор споживає з електричної мережі, називають ККД трансформатора:

 Трансформатор

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?

3. Що відбудеться з котушкою трансформатора, якщо її розпрямити, не відключаючи від мережі?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. У первинній обмотці 200 витків, а у вторинній – 25 витків. Підвищувальна чи знижувальна напруга у цього трансформатора? У скільки разів?

2. Трансформатор підвищує напругу від 10 до 200 В. Скільки витків у вторинній обмотці трансформатора, якщо первинна обмотка містить 600 витків?

3. Первинна обмотка трансформатора, що містить 1500 витків проводу, підключена до кола змінного струму напругою 220 В. Визначте кількість витків у вторинній обмотці, якщо вона повинна живити коло напругою 6,3 В і силою струму 1,5 А.

Опір вторинної обмотки 0,2 Ом. Опором первинної обмотки знехтувати.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Трансформатор – пристрій, що застосовують для підвищення або зниження напруги змінного струму.

– Коефіцієнт трансформації – величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

 Трансформатор

– Відношення потужності, яку трансформатор віддає споживачеві електричної енергії, до потужності, яку трансформатор споживає з електричної мережі, називають ККД трансформатора.

 Трансформатор

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 32; підр-2: § 14 (п. 3).

2. Зб.:

Рів1 № 9.8; 9.10; 9.22; 9.23.

Рів2 № 9.28; 9.29; 9.52; 9.53.

Рів3 № 9.62, 9.63; 9.64; 9.67.

3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 7.

ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 7 “ЗМІННИЙ СТРУМ. ТРАНСФОРМАТОР”

Завдання 1 (1,5 бала)

Трансформатор підвищує напруга від 120 В до 36 кВ.

А Трансформатор може підвищувати постійну напругу.

Б Якщо вихідна напруга менша від вхідної, трансформатор називають підвищувальним.

В ЕРС у вторинній обмотці виникає внаслідок явища електромагнітної індукції.

Г Кількість витків у вторинній обмотці менше, ніж у первинній.

Завдання 2 (2,5 бала)

На рисунку показаний графік i(t) для змінного струму.

 Трансформатор

А Період струму дорівнює 3 мкс.

Б Максимальне значення сили струму 10 А.

В Діюче значення сили струму менше від 6 А.

Г Сила струму в колі змінюється за законом і = 15sin? t.

Завдання 3 (3 бали)

Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічна пара). До кожного рядка, позначеного буквою, підберіть твердження, позначене цифрою.

А Трансформатор.

Б Коефіцієнт трансформації.

В Режим холостого ходу.

Г Режим під навантаженням.

1 Величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора.

2 Пристрій, що застосовується для підвищення або зниження напруги змінного струму.

3 Пристрій, що перетворює механічну енергію в електричну.

4 Робота за замкнутої вторинної обмотки.

5 Робота за розімкнутої вторинної обмотки.

Завдання 4 (5 балів)

Первинна обмотка трансформатора містить 100 витків, а вторинна – 1000. Напруга в первинному колі 120 В. Яка напруга у вторинному колі, якщо втрати енергії відсутні?