Фізика 11 клас

ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

 

Розділ 2 Електромагнітне поле

 

§ 19. ТРАНСФОРМАТОР. ВИРОБНИЦТВО, ПЕРЕДАЧА ТА ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

 

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає). Трансформатор — це прилад, призначений для перетворення параметрів змінного струму, що складається із виготовленого з м’якого феромагнетика осердя замкненої форми, на якому встановлено дві обмотки — первинну і вторинну.

 

 

Мал. 95

 

Уперше трансформатор сконструював у 1878 році російський вчений П. М. Яблочков, а на початку XX ст. його вдосконалив професор С. М. Усатий і професор Київського університету М. Й. Доліво-Добровольський. Трансформатор складається із замкненого осердя з феромагнетика, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток з дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують «навантаження», що споживає енергію, називають вторинною (мал. 95).

В основу роботи трансформатора покладено явище електромагнітної індукції. Розглянемо принцип дії трансформатора. Нехай на вхід трансформатора подається змінна напруга U1. В осерді трансформатора виникає змінний магнітний потік, який пронизує як первинну, так і вторинну обмотки трансформатора. У первинній і вторинній обмотках відповідно виникають ЕРС самоіндукції:

де N1 і N2 — кількість витків первинної і вторинної обмоток. Визначимо напруги на вході і виході трансформатора:

де R1 i R2 відповідно опори первинної і вторинної обмоток трансформатора; I1 i І2 — сили струмів, які проходять по первинній і вторинній обмотках. Розглянемо випадок, коли вторинна обмотка розімкнена, тобто — 0 (холостий хід.). Технічні трансформатори конструюють так, щоб виконувалась умова  тобто обмотки трансформатора мають невеликий активний опір, але велику індуктивність. Поділивши почленно одне на одне рівняння напруг, отримаємо

Напруга на кінцях первинної обмотки трансформатора так відноситься до напруги на кінцях його вторинної обмотки, як кількість витків первинної обмоnки відноситься до кількості витків вторинної обмотки.

Це відношення називають коефіцієнтом трансформації к:

Якщо k > 1, то трансформатор буде знижувальним, якщо k < 1 — підвищувальним .

Трансформатор перетворює змінний електричний струм так, що відношення сили струму до напруги приблизно однакове в первинній і вторинній обмотках.

За допомогою трансформатора знижують значення сили струму і збільшують напругу під час передавання електричної енергії. Це сприяє зниженню теплових втрат (Q - I2Rt закон Джоуля — Ленца). Враховуючи, що потужність сили струму визначається добутком напруги і сили струму, таке зменшення сили струму не змінить переданої потужності.

Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють при напругах у декілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють силу струму напругою від б до 20 кВ.

Перші генератори були створені в 50-х роках XIX ст., а вже в 70-х роках почалося їх промислове виробництво. Тепер рівень виробництва і споживання енергії — найважливіший показник розвитку продуктивних сил суспільства. Головне значення при цьому має електроенергія — найуніверсальніша і найзручніша для використання форма енергії.

Електроенергію в Україні виробляють на таких електростанціях: теплових (ТЕС і ТЕЦ), гідро (ГЕС), атомних(АЕС) і вітрових(ВЕС).

Джерелом енергії на ТЕС і ТЕЦ (теплоелектроцентраль) є вугілля, газ, торф, мазут та ін., на ГЕС — потенціальна енергія води, піднятої греблею, на АЕС — ядерне паливо, розміщене в тепловидільних елементах (ТВЕЛ) ядерного реактора, на ВЕС — енергія вітру.

Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори для підвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях споживання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (мал. 96).

Сучасна цивілізація неможлива без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Понад 90 % споживаної людством енергії отримують від спалювання вугілля, нафти, газу. Для цього використовують теплові електростанції, на яких

 

 

Мал. 96

 

хімічна енергія палива перетворюється в електричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води, перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тиску спрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує їх обертатися. Ротор турбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струму перетворює механічну енергію в енергію електричного струму.

Змінний струм від генератора по провідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється в інші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергія електромагнітних коливань перетворюється у механічну енергію, а в лампах розжарення, в спіралях електронагрівальних приладів електрична енергія змінного струму перетворюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо.

Задачі та вправи

Розв’язуємо разом

1. Напруга на кінцях ділянки кола, по якому проходить змінний струм, змінюється

з часом за законом U = Umax cosωt, В. У момент часу  напруга дорівнює 10 В. Ви значте амплітуду напруги і циклічну частоту, якщо період коливань становить 0,01 с.

Розв’язання

Циклічна частота визначається за формулою  тому (ω= 628 с-1)

Миттєве значення напруги в момент  можна визначити так:

 

 

Звідси Umax = 2U. Отже, Umax 20 В.

2. Що трапиться, коли вийняти осердя й ввімкнути обмотку трансформатора у мережу з напругою, на яку він розрахований?

Розв’язання

У даному випадку згорить первинна обмотка.

Що я знаю і вмію робити

Я вмію використовувати співвідношення між фізичними величинами під час розв'язування фізичних задач

1.     До кінців прямолінійного мідного провідника з площею поперечного перерізу 2 мм прикладено напругу 6 В. Визначте найбільшу силу, з якою однорідне магнітне поле індукцією 100 мТл може діяти на цей провідник.

2. Яку роботу виконує однорідне магнітне поле з індукцією 20 мТл під час переміщення в ньому прямого провідника завдовжки 50 см на відстань 10 см, якщо по ньому проходить струм силою 10 А? Переміщення відбувається в напрямку дії сили Ампера, а провідник весь час утворює з вектором магнітної індукції кут 30°.

3. Магнітний потік через кожні 100 однакових витків котушки становить 200 мВб. Під час його рівномірного зменшення впродовж 5 мс у котушці виникає ЕРС 400 В. До якого значення зменшується магнітний потік?

4. Магнітний потік через контур замкненого провідника опором 100 мОм за 5 с змінюється на 20 мВб. Яка сила струму, що протікає у провіднику під час цієї зміни, якщо магнітний потік змінюється рівномірно? Я знаю, які є спектри магнітних полів, і вмію їх малювати

5. На мал. 98, а показано прямий провідник, що проходить через картонний екран, площина якого перпендикулярна до провідника. На мал. 98, б жилу провідника розділено на дві гілки, що також проходять через екран. На мал. 98, в зображено тороїдальне дерев'яне осердя, що має суцільну обмотку.

Намалюйте в зошитах спектри магнітних полів прямого і розділеного провідника в площинах екранів і картину магнітного поля тороїдальної обмотки в площині малюнка.

 

 

Мал. 98

 

 

 

Мал. 99

 

Я знаю, як взаємодіють між собою провідники зі струмом

6. На мал. 99 показано котушки, кінці обмоток яких досить довгі і закріплені в спеціальних затискачах. З'єднання кінців котушок з джерелом струму наведено на мал. 99, а. Визначте характер взаємодії котушок і намалюйте в зошитах схеми їхніх магнітних полів.

7. На мал. 99, изображено дві котушки А і В.

Між котушками підвішена на тонких гнучких провідниках котушка С. В середині цієї котушки закріплена стрілка. Визначте положення цієї стрілки при виникненні струму в усіх котушках.

Я знаю, як побудований трансформатор, вмію пояснювати, як він працює

8. Чи може трансформатор: а) мати одну первинну обмотку і кілька вторинних; б) змінювати напругу постійного струму; в) підвищувати напругу одночасно зі збільшенням сили змінного струму?

9. Чи змінює трансформатор частоту сили струму?

10. Чим пояснити, що ККД трансформатора вищий, ніж у найбільш вдалих конструкцій електродвигунів ?

11. Під якою напругою перебуває первинна обмотка ненавантаженого трансформатора, що має 100 витків, якщо вторинна обмотка має 250 витків, а напруга в ній 550 В? Який коефіцієнт трансформації цього трансформатора?

12. Первинну обмотку знижувального трансформатора з коефіцієнтом трансформації 10 увімкнено в мережу з напругою 220 В. Опір вторинної обмотки 4 Ом, а сила струму в ній З А. Визначте ЕРС, індуковану у вторинній обмотці, та напругу на навантаженні.

13. Коефіцієнт трансформації підвищувального трансформатора дорівнює 0,5. Вторинна обмотка має опір 0,2 Ом, а опір навантаження 10,8 Ом. Напруга на навантаженні становить 216 В. Якою напругою живиться трансформатор? Яка сила струму в первинній обмотці? Який ККД трансформатора?

 



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити