Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. 11 класс. Физика. Генерирование электрической энергииГенерирование электрической энергии. Трансформаторы. 11 класс. Физика. - Объяснение нового материалаКомментарии преподавателяГенератор электрического токаВ основе явления электромагнитной индукции лежит возникновение индукционного тока в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Таким образом, если создать систему, в которой магнитный поток, пронизывающий контур, меняется постоянным образом, то такая система генерировала бы электрический ток непрерывно. При этом совершенно неважно, происходит ли движение магнита относительно контура или движение контура относительно магнита. Машина, в которой магнитный поток, пронизывающий контур, меняется непрерывно периодическим образом, при этом генерируя электрический ток, называется генератором электрического тока.
Рис. 1. Генератор электрического тока На рисунке 1 представлена модель генератора переменного тока. В этой модели две токопроводящие катушки (1) закреплены на валу и могут вращаться между полюсами магнитов (2). Вал соединен с помощью ременной передачи (3) с колесом (4), которое приводится во вращение вручную. Другой конец вала имеет скользящие контакты (5) (контакты с выводами катушки). На скользящих контактах возникает электрическое напряжение, приблизительно равное ЭДС индукции. Вращающаяся часть генератора называется ротор, неподвижная – статор.
Рис. 2. Гидроэлектростанция
Рис. 3. Теплоэлектростанция Виды электростанцийПо принципу представленной модели работают все генераторы переменного тока, в частности и самые мощные, которые называются электростанциями. В зависимости от способа, которым приводится во вращение ротор электростанции, они подразделяются на разные типы. На гидроэлектростанциях (см. Рис. 2) вращение ротора происходит за счет энергии падающей воды; на теплоэлектростанциях (см. Рис. 3) – за счет работы водяного пара, получаемого при сжигании топлива; на атомных электростанциях – также за счет работы водяного пара, который получается из-за выделения атомной энергии. Одним из первых конструкторов гидроэлектростанции был английский промышленник и инженер Джозеф Свон. Он владел поместьем, по территории которого протекала река. На берегу реки англичанин установил водяное колесо, которое приводило во вращение катушку, расположенную между двумя большими магнитами. К катушке Свон присоединил провода и впервые в истории человечества осветил собственный дом электрическим светом. Известно, что при протекании электрического тока в проводнике выделяется тепло (по закону Джоуля – Ленца), следовательно, происходят потери энергии. Если учесть, что между электростанцией и потребителем протягивают линии электропередач на очень большие расстояния, то в этих проводах должны происходить очень большие потери энергии. Способы повышения эффективности электростанции и понижения потерь энергии обсудим на следующих уроках, посвященных электромагнитной индукции. Трансформатор Основы теории трансформаторовВо время рассмотрения открытия электромагнитной индукции мы обращались к опытам Фарадея. На один сердечник были намотаны две катушки: одна сверху другой, при этом внутренняя катушка оказывалась в магнитном поле внешней катушки (рис. 1.). Это и был первый шаг на пути создания трансформатора. Рис. 1. Трансформатор Схема трансформатора впервые появилась в работах Фарадея и Джозефа Генри. Однако ни один учёный не отмечал в возможностях изменение напряжений и тока – трансформирование переменного тока. 30 ноября 1876 г. считается датой рождения первого трансформатора. В этот день П. Н. Яблочков (рис. 2) получил патент на изобретение данного устройства. После этого возник научный интерес к изучению переменного тока. И, как следствие, возник интерес к изучению металлических, неметаллических, магнитных материалов и созданию о них теорий.
Рис. 2. Яблочков П. Н. Рассмотрим некоторые основы теории трансформаторов. Трансформатор – это техническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз. Любой трансформатор (рис. 3) состоит из системы катушек и сердечника.
Базовый принцип действия трансформатора (рис. 4) состоит в том, что в основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. Одну из катушек – первичную – подключают к источнику переменного тока. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток, пронизывающий сердечник – магнитопровод. Изменяющийся в сердечнике магнитный поток создаёт ЭДС индукции во второй катушке. Эта ЭДС индукции создаёт во вторичной обмотке переменный ток. На рис. 5 приведена принципиальная схема трансформатора. Так трансформатор обозначается следующим образом: центральная широкая линия соответствует сердечнику, первичная обмотка, обычно слева, и вторичная обмотка – справа, число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков в обмотке.  Рис. 5. Холостой режимСуществует два режима работы трансформатора. Рассмотрим ситуацию, при которой вторичная обмотка не замкнута на нагрузку потребителя. Такой режим работы называется холостой ход. При пропускании переменного тока через первичную обмотку в сердечнике возникает переменный магнитный поток. Сердечник устроен таким образом, чтобы магнитный поток полностью оставался внутри этого сердечника. Мгновенное значение ЭДС индукции в любом витке будет равно первой производной магнитного потока со знаком минус.
Если поток меняется по гармоническому закону, то и ЭДС индукции будет меняться по гармоническому закону, но со сдвигом фазы 90°.
В первичной обмотке с числом витков N1 полная ЭДС индукции будет равна произведению мгновенного значения ЭДС на число витков в этой обмотке.
Во вторичной обмотке суммарное значение ЭДС также будет равно произведению мгновенного значения ЭДС на число витков во вторичной обмотке.
www.kursoteka.ru Физика Генерирование электрической энергии. ТрансформаторЭлектрическая энергия обладает огромными преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на большие расстояния с малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное, электроэнергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, световую. Особенно большая необходимость в трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния. Переменный ток, его напряжение и силу можно в очень широких пределах преобразовывать почти без потерь энергии, то есть трансформировать. Такие преобразования необходимы во многих электро-и радиотехнических устройствах. Прежде всего ознакомимся с генераторами – устройствами, преобразующими энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и тому подобное оборудование. Сегодня исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Например, термобатареи, где используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов. Разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую энергию. Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. К примеру, машины создают высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но их рабочее время невелико. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Так как только благодаря им сегодня вырабатывается потребляемая человечеством электрическая энергия. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую энергию. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции, и они имеют сравнительно простое устройство, что позволяет получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей: электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС. Простейшая модель генератора - это вращающаяся рамка из проводникового материал в магнитном поле). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональная числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется электродвижущая сила, - в пазах другого. Внутренний сердечник вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называется статором. Для увеличения потока магнитной индукции зазор между сердечниками статора и ротора делают маленьким. В изображенной на этом рисунке модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором. Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, находятся неподвижно в пазах статора. Подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь нужно при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные щетки из пластин прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротором с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Генерируемый ток снимают с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводят сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока - возбудителем, который находится на том же валу. Постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, возникающее из-за изменения магнитного потока при вращении ротора. Современный генератор электрического тока – это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. Важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Очень точное сочетание движущихся частей, которые порождают электрическую энергию непрерывно и экономично. ЭДС мощных генераторов электростанций довольно велика. Между тем в практике чаще всего нужно не слишком высокое напряжение. Напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор – это электрический аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения при условии сохранения частоты. Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Павел Николаевич Яблочков положил начало техническому использованию трансформаторов, разработав однофазный трансформатор с разомкнутым сердечником и в 1876 году и впервые применил его для осветительной установки с электрическими свечами. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками.Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Условное обозначение трансформатора таково. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает электродвижущую силу индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. Мгновенное значение ЭДС индукции в любом витке первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея значение ЭДС есть производная потока магнитной индукции по времени. Если поток магнитной индукции эф выразить как произведение амплитуды переменного магнитного потока на синус или косинус фазы частоты колебаний и времени, то, следовательно, мгновенное значение ЭДС определяется произведением амплитуды ЭДС в одном витке на синус фазы частоты колебаний и времени. Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции. При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет. В первичной обмотке, имеющей эн-1 витков с индукцией е-1, полная ЭДС индукции равна эн-1-е-1. Во вторичной обмотке витков эн-2, индукция е-2 полная ЭДС индукции равна эн-2-е-2. Мгновенные значения ЭДС е1 и е2 изменяются синфазно. Это означает, что они одновременно достигают максимума и одновременно проходят через нуль. Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих знаний этих электродвижущих сил. Получаем равенство отношений напряжений, значений ЭДС и витков на первичной и вторичной обмотках, которые можно обозначить переменной ка. Величина ка называется коэффициентом трансформации. При ка большим чем 1 трансформатор является понижающим, а при Ка меньше 1 трансформатор является понижающим. Трансформатор состоит из нескольких катушек (обмоток), намотанных на каркас изолированным проводом, которые размещаются на магнитопроводе из тонких пластин специальной стали. Переменный электрический ток, текущий по одной из обмоток, называемой первичной, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле, пересекающее витки другой — вторичной — обмотки трансформатора, возбуждая в ней переменную электродвижущую силу. Достаточно к выводам вторичной обмотки подключить лампу накаливания, и в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток. Электрическая энергия передается из одной обмотки трансформатора в другую за счет связывающего обмотки переменного магнитного поля без непосредственного их соединения. Если обе обмотки имеют равное число витков, то во вторичной обмотке наведется такое же напряжение, какое подводится к первичной. Например, если подать на первичную обмотку трансформатора переменный ток напряжением 220 вольт, то и во вторичной обмотке тоже возникнет ток напряжением 220 вольт. Если обмотки разные — тогда и напряжение во вторичной обмотке не совпадает с напряжением, подаваемым на первичную обмотку. В повышающем трансформаторе вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней больше, чем на первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней меньше. Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равной нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который уменьшает изменения магнитного потока в сердечнике. Но уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной обмотке. Однако это невозможно. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную ко вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора приблизительно равна мощности во вторичной цепи. Значит, если повышать с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, во столько же раз уменьшается сила тока (и наоборот). Задача Сила тока в первичной обмотке трансформатора 6 десятых ампер, напряжение на её концах 120 вольт. Сила тока во вторичной обмотке 4 целые и 8 десятых ампер, напряжение 12 вольт. Рассчитать КПД трансформатора. Решение. КПД трансформатора определяется отношением мощности электрического тока на первичной обкладке к мощности тока на вторичной обкладке. Мощность определяется произведением силы тока на напряжение. Получаем, что КПД трансформатора составляет 25%. Задача Сколько витков содержится во вторичной обмотке трансформатора, понижающего напряжение с 120 вольт до 30 вольт, если в его первичной обмотке 200 витков? Решение. Напряжение на концах обмотки трансформатора пропорционально количеству витков провода на обмотке. Составив и решив пропорцию, получаем, что во вторичной обмотке трансформатора находится 50 витков. Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение приблизительно одинаково в первичной и вторичной обмотках. В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 киловольт, мощностью до 1200 – 1600 мегавольт-ампер. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя используют преобразовательные трансформаторы. В наше время уровень производства и потребления энергии - один из важнейших показателей развития производственных сил общества. При этом сама энергия не исчезает. Задача энергетики состоит лишь в получении энергии в форме наиболее удобной для потребления. Если потребление энергии в мире увеличивается в 2 раза примерно за 25 лет, то увеличение потребления электроэнергии в 2 раза происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что все больше и больше процессов переводится на электроэнергию. Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существуют два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические. Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов. На тепловых электростанциях источником энергии служит топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами для двигателей внутреннего сгорания. аиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно, ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны использует в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 киловатт-час электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов составляет несколько тысяч в минуту. КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру - почти до 5500 С и давление – до 25 мегапаскаль. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром. Тепловые электростанции – так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд (для отопления и горячего водоснабжения). В результате КПД ТЭЦ достигает 60-70%. В настоящее время в нашей стране ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией и теплом несколько сот городов. На гидроэлектростанциях (ГЭС) используется для вращения роторов генераторов потенциальная энергия воды. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напор) и от массы воды, проходящей через турбину в секунду (расход воды). Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии. Значительную роль в энергетике играют атомные электростанции (АЭС). В настоящее время АЭС нашей страны дают около 10% электроэнергии. Нетрадиционные типы выработки электроэнергии осуществляют, используя энергию ветра, приливов и отливов, солнца, недр Земли, морских течений, космоса. Альтернативными (или возобновляемыми) источниками энергии (ВИЭ) называют источники энергии, позволяющие получать энергию без использования традиционного ископаемого топлива (нефти, газа, угля и т.п.). Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров. Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает электрическую энергию. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электричество. Солнечная электростанция (СЭС) — инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Посмотрим на сравнительный анализ разных типов электростанций. Главным потребителем электроэнергии является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводится на электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от государственных электростанций для производственных и бытовых нужд. О применении электроэнергии для освещения жилищ и в бытовых электроприборах знает каждый. Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию. Почти все механизмы в промышлености приводятся в движение электрическими двигателями. Они удобны, компактны, допускают возможность автоматизации производства. Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.). Современная цивилизация немыслима без широкого использования электроэнергии. Нарушение снабжения электроэнергией большого города при аварии парализует его жизнь. infourok.ru Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. 11 класс. Физика. - Объяснение нового материалаКомментарии преподавателяГенератор электрического токаВ основе явления электромагнитной индукции лежит возникновение индукционного тока в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Таким образом, если создать систему, в которой магнитный поток, пронизывающий контур, меняется постоянным образом, то такая система генерировала бы электрический ток непрерывно. При этом совершенно неважно, происходит ли движение магнита относительно контура или движение контура относительно магнита. Машина, в которой магнитный поток, пронизывающий контур, меняется непрерывно периодическим образом, при этом генерируя электрический ток, называется генератором электрического тока.
Рис. 1. Генератор электрического тока На рисунке 1 представлена модель генератора переменного тока. В этой модели две токопроводящие катушки (1) закреплены на валу и могут вращаться между полюсами магнитов (2). Вал соединен с помощью ременной передачи (3) с колесом (4), которое приводится во вращение вручную. Другой конец вала имеет скользящие контакты (5) (контакты с выводами катушки). На скользящих контактах возникает электрическое напряжение, приблизительно равное ЭДС индукции. Вращающаяся часть генератора называется ротор, неподвижная – статор.
Рис. 2. Гидроэлектростанция
Рис. 3. Теплоэлектростанция Виды электростанцийПо принципу представленной модели работают все генераторы переменного тока, в частности и самые мощные, которые называются электростанциями. В зависимости от способа, которым приводится во вращение ротор электростанции, они подразделяются на разные типы. На гидроэлектростанциях (см. Рис. 2) вращение ротора происходит за счет энергии падающей воды; на теплоэлектростанциях (см. Рис. 3) – за счет работы водяного пара, получаемого при сжигании топлива; на атомных электростанциях – также за счет работы водяного пара, который получается из-за выделения атомной энергии. Одним из первых конструкторов гидроэлектростанции был английский промышленник и инженер Джозеф Свон. Он владел поместьем, по территории которого протекала река. На берегу реки англичанин установил водяное колесо, которое приводило во вращение катушку, расположенную между двумя большими магнитами. К катушке Свон присоединил провода и впервые в истории человечества осветил собственный дом электрическим светом. Известно, что при протекании электрического тока в проводнике выделяется тепло (по закону Джоуля – Ленца), следовательно, происходят потери энергии. Если учесть, что между электростанцией и потребителем протягивают линии электропередач на очень большие расстояния, то в этих проводах должны происходить очень большие потери энергии. Способы повышения эффективности электростанции и понижения потерь энергии обсудим на следующих уроках, посвященных электромагнитной индукции. Трансформатор Основы теории трансформаторовВо время рассмотрения открытия электромагнитной индукции мы обращались к опытам Фарадея. На один сердечник были намотаны две катушки: одна сверху другой, при этом внутренняя катушка оказывалась в магнитном поле внешней катушки (рис. 1.). Это и был первый шаг на пути создания трансформатора. Рис. 1. Трансформатор Схема трансформатора впервые появилась в работах Фарадея и Джозефа Генри. Однако ни один учёный не отмечал в возможностях изменение напряжений и тока – трансформирование переменного тока. 30 ноября 1876 г. считается датой рождения первого трансформатора. В этот день П. Н. Яблочков (рис. 2) получил патент на изобретение данного устройства. После этого возник научный интерес к изучению переменного тока. И, как следствие, возник интерес к изучению металлических, неметаллических, магнитных материалов и созданию о них теорий.
Рис. 2. Яблочков П. Н. Рассмотрим некоторые основы теории трансформаторов. Трансформатор – это техническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз. Любой трансформатор (рис. 3) состоит из системы катушек и сердечника.
Базовый принцип действия трансформатора (рис. 4) состоит в том, что в основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. Одну из катушек – первичную – подключают к источнику переменного тока. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток, пронизывающий сердечник – магнитопровод. Изменяющийся в сердечнике магнитный поток создаёт ЭДС индукции во второй катушке. Эта ЭДС индукции создаёт во вторичной обмотке переменный ток. На рис. 5 приведена принципиальная схема трансформатора. Так трансформатор обозначается следующим образом: центральная широкая линия соответствует сердечнику, первичная обмотка, обычно слева, и вторичная обмотка – справа, число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков в обмотке.
Рис. 5. Холостой режимСуществует два режима работы трансформатора. Рассмотрим ситуацию, при которой вторичная обмотка не замкнута на нагрузку потребителя. Такой режим работы называется холостой ход. При пропускании переменного тока через первичную обмотку в сердечнике возникает переменный магнитный поток. Сердечник устроен таким образом, чтобы магнитный поток полностью оставался внутри этого сердечника. Мгновенное значение ЭДС индукции в любом витке будет равно первой производной магнитного потока со знаком минус.
Если поток меняется по гармоническому закону, то и ЭДС индукции будет меняться по гармоническому закону, но со сдвигом фазы 90°.
В первичной обмотке с числом витков N1 полная ЭДС индукции будет равна произведению мгновенного значения ЭДС на число витков в этой обмотке.
Во вторичной обмотке суммарное значение ЭДС также будет равно произведению мгновенного значения ЭДС на число витков во вторичной обмотке.
Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС в вторичной обмотке равно отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках.
Поскольку обычно электрическое сопротивление обмоток трансформатора – достаточно малая величина, которой можно пренебречь, то модуль напряжения на зажимах первичной катушки приблизительно равен ЭДС индукции первичной катушки.
www.kursoteka.ru Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. 11 класс. Физика. - Объяснение нового материалаКомментарии преподавателяГенератор электрического токаВ основе явления электромагнитной индукции лежит возникновение индукционного тока в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Таким образом, если создать систему, в которой магнитный поток, пронизывающий контур, меняется постоянным образом, то такая система генерировала бы электрический ток непрерывно. При этом совершенно неважно, происходит ли движение магнита относительно контура или движение контура относительно магнита. Машина, в которой магнитный поток, пронизывающий контур, меняется непрерывно периодическим образом, при этом генерируя электрический ток, называется генератором электрического тока.
Рис. 1. Генератор электрического тока На рисунке 1 представлена модель генератора переменного тока. В этой модели две токопроводящие катушки (1) закреплены на валу и могут вращаться между полюсами магнитов (2). Вал соединен с помощью ременной передачи (3) с колесом (4), которое приводится во вращение вручную. Другой конец вала имеет скользящие контакты (5) (контакты с выводами катушки). На скользящих контактах возникает электрическое напряжение, приблизительно равное ЭДС индукции. Вращающаяся часть генератора называется ротор, неподвижная – статор.
Рис. 2. Гидроэлектростанция
Рис. 3. Теплоэлектростанция Виды электростанцийПо принципу представленной модели работают все генераторы переменного тока, в частности и самые мощные, которые называются электростанциями. В зависимости от способа, которым приводится во вращение ротор электростанции, они подразделяются на разные типы. На гидроэлектростанциях (см. Рис. 2) вращение ротора происходит за счет энергии падающей воды; на теплоэлектростанциях (см. Рис. 3) – за счет работы водяного пара, получаемого при сжигании топлива; на атомных электростанциях – также за счет работы водяного пара, который получается из-за выделения атомной энергии. Одним из первых конструкторов гидроэлектростанции был английский промышленник и инженер Джозеф Свон. Он владел поместьем, по территории которого протекала река. На берегу реки англичанин установил водяное колесо, которое приводило во вращение катушку, расположенную между двумя большими магнитами. К катушке Свон присоединил провода и впервые в истории человечества осветил собственный дом электрическим светом. Известно, что при протекании электрического тока в проводнике выделяется тепло (по закону Джоуля – Ленца), следовательно, происходят потери энергии. Если учесть, что между электростанцией и потребителем протягивают линии электропередач на очень большие расстояния, то в этих проводах должны происходить очень большие потери энергии. Способы повышения эффективности электростанции и понижения потерь энергии обсудим на следующих уроках, посвященных электромагнитной индукции. Трансформатор Основы теории трансформаторовВо время рассмотрения открытия электромагнитной индукции мы обращались к опытам Фарадея. На один сердечник были намотаны две катушки: одна сверху другой, при этом внутренняя катушка оказывалась в магнитном поле внешней катушки (рис. 1.). Это и был первый шаг на пути создания трансформатора. Рис. 1. Трансформатор Схема трансформатора впервые появилась в работах Фарадея и Джозефа Генри. Однако ни один учёный не отмечал в возможностях изменение напряжений и тока – трансформирование переменного тока. 30 ноября 1876 г. считается датой рождения первого трансформатора. В этот день П. Н. Яблочков (рис. 2) получил патент на изобретение данного устройства. После этого возник научный интерес к изучению переменного тока. И, как следствие, возник интерес к изучению металлических, неметаллических, магнитных материалов и созданию о них теорий.
Рис. 2. Яблочков П. Н. Рассмотрим некоторые основы теории трансформаторов. Трансформатор – это техническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз. Любой трансформатор (рис. 3) состоит из системы катушек и сердечника.
Базовый принцип действия трансформатора (рис. 4) состоит в том, что в основе его работы лежит явление электромагнитной индукции. Одну из катушек – первичную – подключают к источнику переменного тока. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток, пронизывающий сердечник – магнитопровод. Изменяющийся в сердечнике магнитный поток создаёт ЭДС индукции во второй катушке. Эта ЭДС индукции создаёт во вторичной обмотке переменный ток. На рис. 5 приведена принципиальная схема трансформатора. Так трансформатор обозначается следующим образом: центральная широкая линия соответствует сердечнику, первичная обмотка, обычно слева, и вторичная обмотка – справа, число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков в обмотке.
Рис. 5. Холостой режимСуществует два режима работы трансформатора. Рассмотрим ситуацию, при которой вторичная обмотка не замкнута на нагрузку потребителя. Такой режим работы называется холостой ход. При пропускании переменного тока через первичную обмотку в сердечнике возникает переменный магнитный поток. Сердечник устроен таким образом, чтобы магнитный поток полностью оставался внутри этого сердечника. Мгновенное значение ЭДС индукции в любом витке будет равно первой производной магнитного потока со знаком минус.
Если поток меняется по гармоническому закону, то и ЭДС индукции будет меняться по гармоническому закону, но со сдвигом фазы 90°.
В первичной обмотке с числом витков N1 полная ЭДС индукции будет равна произведению мгновенного значения ЭДС на число витков в этой обмотке.
Во вторичной обмотке суммарное значение ЭДС также будет равно произведению мгновенного значения ЭДС на число витков во вторичной обмотке.
Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС в вторичной обмотке равно отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках.
Поскольку обычно электрическое сопротивление обмоток трансформатора – достаточно малая величина, которой можно пренебречь, то модуль напряжения на зажимах первичной катушки приблизительно равен ЭДС индукции первичной катушки.
www.kursoteka.ru Генерирование электрической энергии | Учеба-Легко.РФГенератор – устройство превращающее энергию различного вида в электрическую. Генераторы вырабатывают электрический ток. Примеры генераторов: гальванические элементы, электростатические машины, солнечные батареи и др. В зависимости от характеристик применяются генераторы различных типов. Например, с помощью электростатических машин можно создать очень высокое напряжение, но при этом сила тока будет очень невелика. А с помощью гальванических элементов можно создать приемлемую силу тока, но они могут работать лишь непродолжительное время. Структура генератораРассмотрим индукционный электромеханический генератор переменного тока. Генераторов такого типа много, но любой из них имеет общие основные детали.
Амплитуда ЭДС наводится в каждом витке обмотки. Так как витки соединены последовательно значения ЭДС будут складываться. ЭДС в рамке будет пропорциональна числу витков в обмотке. Для получения большого значения магнитного потока в генераторах делают специальную систему из двух сердечников. В пазах одного сердечника размещаются обмотки, которые создают магнитное поле, а в пазах другого, обмотки, в которых индуцируется ЭДС. Один из сердечников вращается, его называют ротором. Второй неподвижен и называется статором. Зазор между сердечниками стараются сделать как можно меньшим, чтобы увеличить поток вектора магнитной индукции. Ниже на рисунке представлена модель простейшего генератора. Принцип действия генератораВ генераторе, модель которого представлена на рисунке выше, магнитное поле создается постоянным магнитом, а проволочная рамка вращается внутри него. В принципе, можно оставить рамку неподвижной и вращать магнит. От этого ничего бы не изменилось. В промышленных генераторах именно так и делается. Вращается электромагнит, а обмотки, в которых появляется ЭДС остаются неподвижными. Это связано с тем, что для того, чтобы подвести ток к ротору или снять с обмоток ротора, необходимо использовать скользящие контакты. Для этого используются щетки и контактные кольца. Сила тока, которая заставит вращаться ротор, много меньше, чем та, которую мы снимем с обмоток. Поэтому удобнее подводить ток к ротору, а снимать ток со статора. В генераторах малой мощности, для создания магнитного поля используют вращающийся постоянный магнит, тогда подводить ток к ротору вообще необязательно. И использовать щетки и кольца не нужно. При вращении ротора, в обмотках статора возникает ЭДС. Это происходит потому, что возникает вихревое электрическое поле. Современные генераторы это очень большие машины. Причем при таких размерах (несколько метров), некоторые важнейшие внутренние части изготавливаются с точность до миллиметра. uclg.ru Генерирования электрической энергииНаправления ЭДС и тока в схеме рис. 53 одинаковы. Источник отдает энергию во внешнюю цепь, то есть работает в режиме генератора. Напряжение на зажимах источника Мощность, вырабатываемая источником, (Мощность положительна, т.к. ЭДС Еи токI одного знака). Мощность потерь внутри источника определяется в соответствии с законом Джоуля-Ленца . Мощность, отдаваемая источником во внешнюю цепь, Баланс мощностей Коэффициент полезного действия (КПД) равен отношению полезной мощности ко всей мощности, вырабатываемой источником. Полезной мощностью в данном режиме является мощность, отдаваемая источником во внешнюю цепь. Поэтому КПД равен У реального источника ЭДС может быть второй режим работы – режим потребления (при наличии в цепи двух источников). Этот режим иллюстрируется схемой рис. 54. Направления ЭДС и тока в схеме рис. 54 противоположны. Схема потребляет энергию из внешней цепи. Напряжение на зажимах источника. Рис. 54. Схема работы реального источника ЭДС в режиме потребления электрической энергии Мощность, потребляемая источником, (ЭДС Еи токI имеют разные знаки). Мощность потерь на внутреннем сопротивлении источника Мощность, потребляемая из сети, Баланс мощностей Полезной мощностью во втором режиме работы является мощность, потребляемая источником, а затрачиваемой – мощность, потребляемая из сети. Поэтому КПД равен Схемы рис. 53, 54 и энергетические соотношения, приведенные выше, хорошо иллюстрируют обратимость электрических машин постоянного тока и режимы разрядки – зарядки аккумуляторных батарей. Электрическая машина может работать в режиме генератора, отдавая энергию во внешнюю цепь, или в режиме электродвигателя, потребляя энергию из сети. Аккумуляторная батарея в режиме разрядки отдает электрическую энергию во внешнюю цепь, а в режиме зарядки потребляет ее из сети. Из схем рис. 53, 54 и соотношений, приведенных в настоящем параграфе, следует, что приемник электрической энергии может быть как пассивным элементом (или схемой, составленной из пассивных элементов), так и активным элементом – реальным источником ЭДС, работающим в режиме потребления. Любой из этих приемников или оба вместе потребляют электрическую энергию от источника-генератора. В общем случае, если в цепи содержится qисточников ЭДС, то часть из них (не более (q– 1) источников) могут работать в режиме энергопотребления, а оставшиеся (как минимум один источник) должны работать в режиме генерирования электрической энергии. Из условия эквивалентности реальных источников напряжения и тока следует, что источник тока также может работать как в режиме генерирования электрической энергии, так и в режиме энергопотребления. Учет этих режимов работы источника тока при составлении уравнения баланса мощностей рассмотрен в следующем параграфе. Пример 6. Рассчитать КПД источников для схемы рис. 31 (пример 3). РешениеВ схеме два источника в четвертой и шестой ветвях. КПД источника в четвертой ветви равен: . Аналогичным образом определяем КПД источника в шестой ветви: . studfiles.net Презентация по физике " Генерирование электрической Энергии. Трансформаторы"ГБС( К) ОУ ШИ I- II вида Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. Методическая разработка ( презентация) Автор- составитель: Клочкова М.А., учитель физики г. Тихорецк 2015 Пояснительная записка Методическая разработка (презентация ) « Генерирование электрической энергии. Трансформаторы» составлена в соответствии с требованиями к уровню подготовки выпускников. Презентация используется для изучения данной темы на базовом уровне в 12классе в коррекционном ( специальном) общеобразовательном учреждении I-II вида. Краткость и наглядность изложения позволяют глухим и слабослышащим учащимся легче воспринимать и усваивать учебный материал. Одной из целей этой презентации становится накопление активного словаря по данной теме с использованием речевого поведения на основе формирования слухо-речевого восприятия. Литература 1.Производство, передача и потребление электрической энергии. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов//[Электронный ресурс]// http://files.school-collection.edu.ru. БЭНП Физика. Files \ 87\{87С17D35-D8B6-4B4E- BBE7-B7F6/ 2. Производство, передача и потребление электрической энергии. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов//[Электронный ресурс]// http://files.school-collection.edu.ru. БЭНП Физика. Files \ 38\{38AB7439-9D00-A681-DD21. 3. Производство, передача и потребление электрической энергии. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов//[Электронный ресурс]// http://files.school-collection.edu.ru. БЭНП Физика. Files \93\{9375DB93-1A1B-41AF-9D90-F1EE._ 4. Производство, передача и потребление электрической энергии. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов//[Электронный ресурс]// http://files.school-collection.edu.ru. БЭНП Физика. Files \83\ {83759A73- F7C1-4DBF-AD8A-A088. 5. Производство, передача и потребление электрической энергии. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов//[Электронный ресурс]// http://files.school-collection.edu.ru. БЭНП Физика. Files \66\[662C5452_BCB5-4EE2-99BF-76B5. 6. Производство, передача и потребление электрической энергии. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов//[Электронный ресурс]// http://files.school-collection.edu.ru. БЭНП Физика. Files \DE\{DE439F0F-9692-47C9-889F-621F. 7. Физика: :учебник для 11 кл. общеобразовательных школ / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев Просвещение ", 2011. infourok.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
(1)
(3)
(4)
&
(6)
&nbs
