Конденсатор в цепи переменного тока

Класс 11.

УМК: « Физика» Авторы: Б.Б. Буховцев, Г. Я. Мякишев.

Тема урока: «Конденсатор в цепи переменного тока»

Тип урока: комбинированный.

Ход урока

1.Организационный этап.

Приветствие, проверка отсутствующих и готовности

Проверка домашней задачи

№ 935 От генератора переменного тока питается электропечь сопротивлением 22 Ом. Найти количество теплоты Q, выделяемое печью за время равное 1 часу, если амплитуда тока равняется 10 А.

2. Мотивация учебной деятельности учащихся. Актуализация знаний.

Проверка знаний:

1.Действующее  значение  напряжения  в  цепи  переменного  тока  127 В. Амплитудное значение напряжения равно:                                 

  1) 127В   2) 180В   3) 220в   4) 90В

2. Амплитудное   значение   силы   тока   в   цепи   переменного   тока   

2 А Действующее значение силы тока равно                         

                         1) 2,8А   2) 3А   3) 1,4А   4) 1,2А

3.        Изменится ли активное сопротивление проводника при увеличении частоты переменного тока   с 20 до 40 Гц?                                  

      1) Да           2) Нет  (Активное сопротивление не зависит от частоты тока, поэтому не изменится.)

4.        Изоляция  конденсатора  рассчитана  на  напряжение  

300 В.  Можно  ли его включить в осветительную сеть, напряжение которой         равно 220 В?                                                                              

              1) Да   2) Нет   

5. Катушка квартирного электрического звонка с железным сердечником подключена к переменному току бытовой электросети частотой 50 Гц . Частота колебаний звонка:              

                          1) 100 Гц        2) 50 Гц       3) 200 Гц       4) 25 Гц  

6. Изменение силы тока в зависимости от времени задано (в единицах СИ) уравнением 
         i =20 cos (100 π t).  Определите :

1. амплитуду силы тока                        __ 20 А____________

2. действующее значение силы тока        _14,14 А______________

3. циклическую частоту                        __ 100π c⁻¹_____________

4. частоту колебаний                        ___ 50 Гц____________

5. период колебаний                       2π / ω = 2π / 100π = 0,02 c 

7.        Средняя мощность, выделяющаяся в резисторе в цепи переменного тока при амплитудном значении силы                 тока 2 А  и амплитудном значении напряжения 30 В равна P = I*U = 2/√2 *30/√2 = 30 Вт

Актуализация знаний: Что такое конденсатор? Протекает ли постоянный ток   через   конденсатор?

3.Изучение нового материала

Постоянный ток не может идти по цепи, содержащей конденсатор. Ведь фактически при этом цепь оказывается разомкнутой, так как обкладки конденсатора разделены диэлектриком. Переменный же ток может идти по цепи, содержащей конденсатор. В этом можно убедиться с помощью простого опыта. Пусть у нас имеются источники постоянного и переменного напряжений, причем постоянное напряжение на зажимах источника равно действующему значению переменного напряжения. Цепь состоит из конденсатора и лампы накаливания, соединенных последовательно. При включении постоянного напряжения лампа не светится. Но при включении переменного напряжения лампа загорается, если емкость конденсатора достаточно велика.

Как же переменный ток может идти по цепи, если она фактически разомкнута (между пластинами конденсатора заряды перемещаться не могут)? Все дело в том, что происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора под действием переменного напряжения. Ток, идущий в цепи при перезарядке конденсатора, нагревает нить лампы. Установим, как меняется со временем сила тока в цепи, содержащей только конденсатор, если сопротивлением проводов и обкладок конденсатора можно пренебречь . Напряжение на конденсаторе Сила тока, представляющая собой производную заряда по времени , равна: Следовательно, колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на конденсаторе .

I m = U m C Амплитуда силы тока равна: Если ввести обозначение : и вместо амплитуд силы тока и напряжения использовать их действующие значения, то получим : Величину X c , обратную произведению C циклической частоты на электрическую емкость конденсатора, называют емкостным сопротивлением . Действующее значение силы тока связано с действующим значением напряжения на конденсаторе точно так же, как связаны согласно закону Ома сила тока и напряжение для участка цепи постоянного тока. Чем больше емкость конденсатора, тем больше ток перезарядки. Это легко обнаружить по увеличению накала лампы при увеличении емкости конденсатора. В то время как сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно велико, его сопротивление переменному току имеет конечное значение X c . С увеличением емкости оно уменьшается. Уменьшается оно и с увеличением частоты Сопротивление цепи с конденсатором обратно пропорционально произведению циклической частоты на электроемкость. Колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения

4. Проверка степени усвоения изученного материала на уроке.

 Лабораторная работа «Зависимость емкостного сопротивления от частоты переменного тока и параметров элементов» 

Учащиеся делятся на две группы: 
Одна из которых, пользуясь порядком выполнения работы, собирает цепь и устанавливает параметры элементов в программе «Начала электроники»

1.Соберите цепь .

2.Установите следующие значения параметров:

Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

Конденсатор – рабочее напряжение 400 В, емкость 10 мкФ;

Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом.

3.Изменяя емкость конденсатора от 5 до 50 мкФ (через 5 мкФ), запишите показания вольтметров (напряжение на конденсаторе и на резисторе).

4.Рассчитайте эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения емкости конденсатора (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление).

5.Определите значения емкостных сопротивлений конденсатора для соответствующих значений его емкости и сравните их с рассчитанными по формуле (3).

6.Установите емкость конденсатора 10 мкФ. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторите измерения и расчеты емкостного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

Другая заносит данные в программу Microsoft Excel, сравнивает теоретические и практические результаты

Затем все вместе наблюдают графики «Зависимость емкостного сопротивления от частоты переменного тока» и «Зависимость емкостного сопротивления от электроемкости конденсатора», делают выводы и отвечают на контрольные вопросы

1.Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного тока?

2. В каких единицах измеряются емкостное сопротивление?

3. Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного тока?

5.Закрепление нового материала

№928

К зажимам генератора присоединён конденсатор ёмкость 0,1 мкФ. Найти амплитуду напряжения на зажимах если амплитуда, тока 1,6 А, период колебаний тока 0,2 мс.

6.Домашнее задание

7.Рефлексия. Подведение итогов