Методическая разработка урока теоретического обучения по теме "Переменный ток"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ КАЗЕННОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ №46

ФЕДЕРАЛЬНОЙ СЛУЖБЫ ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ

Методическая разработка

урока теоретического обучения по ОП.02. Электротехника.

Профессия 19861 «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования (по отраслям)»

Тема урока: Переменный ток.

Составитель: Ведехин

Алексей Анатольевич

2024г.

Аннотация

Методическая разработка посвящена одной из основных проблем начального этапа обучения специалистов по профессии «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования».

Проблема заключается в сложностипонимания обучающимися разницы между переменным и постоянным током.

Им еще трудно понять преимущество переменного тока над постоянным в практическом применении.

В методической разработке представлен урок теоретического обучения, задачей которого является ускорить процесс понимания представленной темы.

Данная методическая разработка может быть полезна мастерам производственного обучения учреждений профессионального образования ФСИН России, осуществляющим подготовку специалистов по профессии

« Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования».

Содержание

1.Введение

2.Методическое обоснование темы урока

3.Методические рекомендации к проведению урока

4.План урока.

5. Объяснение нового материала.

6.Список литературы.

Введение

Методическая разработка посвящена одной из основных проблем начального этапа обучения специалистов по профессии «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования» - понимания принципа образовании переменного электрического тока.

Цель данной методической разработки – оказать методическую помощь преподавателю спец.дисциплин по проведению урока теоретического обучения по темам,связанным с образованием синусоидального переменного тока.Обучающиеся, в основной массе, не могут понять отличие переменного от постоянного тока.

Чтобы обучающиеся смогли быстрее перейти к пониманию получения и преимущества переменного тока мною разработан и предложен урок теоретического обучения по теме: «Переменный ток».

Предложенный урок позволяет обучающимся не только быстрее понять данную тему, но и в дальнейшем помогает легче и быстрее переходить на новый уровень обучения.

Методическое обоснование темы урока.

В начале уроков теоретического обучения обучающимся бывает сложно разобраться с получением переменного тока, а также с его параметрами.

Преподавателю необходимо как можно доходчивее донести до обучающих эти моменты. Задачей данного урока теоретического обучения является сформировать понятие о переменном токе, и о его преимуществах.

Познакомить обучающихся с генераторами переменного тока, трансформаторами, линиями электропередач. Сформировать умения анализировать и мыслить.

Способствовать формированию ответственности за результаты качественного выполнению учебного задания, целеустремленности, настойчивости,наблюдательности.

Для ускорения понимания получения однофазного переменного тока,мною разработан данный урок теоретического обучения.

В процессе начале урока теоретического обучения создаются условия для развития познавательной активности, умения самостоятельно находить решения создавшийся проблемы.

Методические рекомендации по проведению урока

Планируя урок, я исхожу из того,что определенные знания о переменном токе у обучающихся уже есть. Ведение урока позволяет обучающимся лучше понять данную тему и поможет быстрее перейти к изучению трехфазных цепей переменного тока.

Для более глубокого формирования теоретических взглядовпоказываю видеофильм о получении, работе генератора, трансформации и передаче переменного тока на большие расстояния. Останавливаю просмотр на непродолжительное время для объяснения показанного материала.

Интересуюсь, есть ли вопросы, что не поняли?

После просмотра фильма, рассказываю об устройстве генератора переменного токана имеющемся в классе плакате. На стендах с электрооборудованием объясняю почему переменный ток нашел более широкое применение, чем постоянный.

После объяснения нового материала, провожу фронтальный опрос обучающихсядля закрепления полученных знаний.

Даю домашнее задание.

План урока теоретического обучения

по предмету: ОП.02 Электротехника.

Проводит преподаватель Ведехин А.А.

Тема 3 Переменный электрический ток.

Урок 11 Однофазный переменный электрический ток: получение,параметры.

Количество часов:2

Цели урока:  
1. Обучающая – сформировать теоретические знания в области однофазного переменного тока.

2.Развивающая - развивать познавательную активность к освоению теоретических знаний, формировать умения анализировать и мыслить.

3.Воспитательная -

способствовать формированию ответственности за результаты качественного выполнению учебного задания, целеустремленности, настойчивости, наблюдательности, волевых качеств, интуиции, сообразительности, 
Тип, вид урока: урок овладения обучающимися новыми знаниями

Методы, формы проведения урока: наглядный, лекция.

Межпредметная связь:

предмет – МДК.01.01.Основы слесарно-сборочных и электромонтажных работ.

Тема 3. Технология монтажа электропроводки.

Учебно-методическое оснащение урока: стенды с электрооборудованием (12 рабочих мест), плакаты, схемы, видеофильм.

Ход урока теоретического обучения

Объяснение нового материала.

Переменный ток

В электростатических машинах, гальванических элементах, аккумуляторах ЭДС с течением времени не меняла своего направления. В такой цепи ток шёл всё время, не меняя ни величины, ни направления и поэтому назывался постоянным.

Электрическая энергия обладает неоспоримым преимуществом перед всеми другими видами энергии. Её можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, энергию света и т.д. На практике можно увидеть множество различных устройств, в которых электрическая энергия превращается в другие виды энергии. Примерами такого оборудования являются: картофелечистка, электромясорубка,

Всё это оборудование и многое другое включается в цепь, в которой протекает переменный электрический ток.

Переменный ток генерируется на электростанциях. Происходит рождение переменной ЭДС, которая многократно и непрерывно меняет свою величину и направление. Это происходит в генераторах – это машины, в которых ЭДС возникает в результате явления электромагнитной индукции.

Переменный ток имеет преимущество перед постоянным: напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать, трансформировать почти без потерь энергии. Генераторы переменного тока проще и дешевле, чем аналогичные генераторы постоянного тока. Изменять напряжение переменного тока очень просто, для этого нужно использовать трансформатор. На постоянном токе сделать это значительно труднее. Были сконструированы простые и надежные электрические двигатели переменного тока, которые очень широко используют в промышленности. Генераторы, линии передачи и электрические двигатели могут быть выполнены и на постоянном и на переменном токе. Однако существуют такие физические явления, которые проявляются только при изменении тока. Эти явления широкоиспользуются в радиотехнике, автоматике, электронике и т. п. Можно сказать, что если бы не было переменного тока, не было бы и многих из этих отраслей электротехники. В радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах используют переменные токи и заменить их током постоянным принципиально невозможно.

Так что же представляет собой переменный электрический ток? Постоянный ток, как известно, в металлах представляет собой установившееся поступательное движение свободных электронов. Если же эти электроны вместо поступательного совершают колебательные движение, то ток периодически, через равные промежутки времени, изменяется как по значению, так и по направлению и называется переменным.

Переменный электрический ток вырабатывается в генераторах переменного тока, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется механическим двигателем, использующим тепловую, гидравлическую или атомную энергию.

Простейшей моделью такого генератора служит проволочный виток, который вращается в однородном магнитном поле.

Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален косинусу угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции: Ф = BS cos α

При равномерном вращении рамки угол α увеличивается прямо пропорционально времени: α = ωt,

где  — угловая скорость вращения рамки.

Поток магнитной индукции меняется по гармоническому закону: Ф = BS cos ωt

Здесь величина ω играет уже роль циклической частоты.

Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна взятой со знаком «-» скорости изменения потока магнитной индукции, т. е. производной потока магнитной индукции по времени:

Ф = B∙S∙cos α = B∙S∙cos ωt

e = – Ф = – B∙S∙(cos ωt) = B∙S∙ω∙sin ωt = ε_m∙sin ωt,

где ε_m = B∙S∙ω – амплитуда ЭДС индукции.

Если к рамке подключить колебательный контур, то угловая скорость ω вращения рамки определит частоту ω колебаний значений ЭДС, напряжения на paзличныx участках цепи и силы тока.

Мы будем изучать в дальнейшем вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, меняющегося с циклической частотой ω по закону синуса или косинуса:

u = U_m ∙ sinωt или u =U_m cosωt

где U_m— амплитуда напряжения, т. е. максимальное по модулю значение напряжения.

Если напряжение меняется с циклической частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой. Но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае сила тока і в любой момент времени (мгновенное значение силы тока) определяется по формуле:

i= I_m∙sin (ωt + φ_c)

Здесь I_m - амплитуда силы тока, т. е. максимальное по модулю значение силы тока, а φ_c — разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

В промышленных цепях переменного тока сила тока и напряжение меняются гармонически с частотой v = 50 Гц. Переменное напряжение на концах цепи создается генераторами на электростанциях.

Рассмотрим принцип действия генератора: возьмем рамку, состоящую из n витков, и соединим ее с гальванометром с помощью колец и скользящих по ним контактов (щеток). Когда рамка вращается в магнитном поле постоянного магнита, то стрелка гальванометра совершает колебания около положения равновесия. Это означает, что в цепи появился переменный ток. Этот опыт моделирует работу генератора переменного тока. Конструкция и действие реального генератора, используемого в промышленности, значительно сложнее. Переменный синосуидальный ток возникает в цепи под действием синосуидальной электродвижущей силы. При рассмотрении многих вопросов, связанных с цепями синосуидального тока, в частности при их расчетах, удобно пользоваться векторными диаграммами.

Приложение 1

Видеофильм о получении переменного тока на гидроэлектростанции, работе генератора, передаче переменного тока по линиям электропередач.

Активное сопротивление

Пусть цепь состоит из соединительных проводов и нагрузки с малой индуктивностью и большим сопротивлением R. Эту величину, которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением.

Сопротивление R называется активным, потому что при наличии нагрузки, обладающей этим сопротивлением, цепь поглощает энергию, поступающую от генератора.

Эта энергия превращается во внутреннюю энергию проводников — они  нагреваются. Будем считать, что напряжение на зажимах цепи меняется по гармоническому закону: u =  U_m sin ωt

Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому для нахождения мгновенного значения силы тока можно применить закон Ома:

Мощность в цепи с резистором

В цепи переменного тока промышленной частоты (v = 50 Гц) сила тока и напряжение изменяются сравнительно быстро. Поэтому при прохождении тока по проводнику,например по нити электрической лампочки, количество выделенной энергии также будет быстро меняться со временем. Но этих быстрых изменений мы не замечаем.

Как правило, нам нужно бывает знать среднюю мощность тока на участке цепи за большой промежуток времени, включающий много периодов. Для этого достаточно найти среднюю мощность за один период. Под средней за период, мощностью переменного тока понимают отношение суммарной энергии, поступающей в цепь за период, к периоду.

Мощность в цепи постоянного тока на участке с сопротивлением R определяется формулой  

P = I²R.

На протяжении очень малого интервала времени переменный ток можно считать практически постоянным.  Поэтому мгновенная мощность в цепи переменного тока на участке, имеющем активное сопротивление R, определяется формулой           P = i²R

Среднее значение мощности за период

График зависимости мгновенной мощности от времени изображен на рисунке.

График изменения мгновенной мощности с течением времени.

         Несмотря на то что мощность переменного тока непрерывно меняется, ее среднее значение за любой период одинаково.

Приравниваем выражения для средней мощности переменного тока и мощности постоянного тока:

Выразим силу тока I: Эту величину называют действующим значением силы переменного тока.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, который выделяет в проводнике ту же мощность, что и переменный ток за то же время.

Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично действующему значению силы тока: - эту величину называют действующим значением напряжения переменного тока.

Действующее значение напряжения в осветительной сети равно 220 В, а амплитудное значение напряжения при этом составляет  

С учетом предыдущих формул можно выразить среднюю мощность переменного тока: Р_ср = IU

Амперметры и вольтметры переменного тока обычно градуируют по действующим значениям силы тока и напряжения.

 Мощность переменного тока можно представить в виде активной и реактивной мощностей. Активная мощность потребляется активным сопротивлением, где происходит процесс преобразования энергии электрической в энергию другого вида (механическую, световую, тепловую и т. д.). Реактивная мощность накапливается индуктивностью при возрастании тока в цепи в виде магнитного поля индуктивной катушки. При уменьшении тока в цепи энергия, накопленная в магнитном поле, преобразуется в электрическую и возвращается источнику энергии. Она выражается в вольт-амперах реактивных(вар или квар). Эта мощность циркулирует между источником и приемником энергии, нагружая провода их обмоток и линий, соединяющих приемник энергии с источником, а также увеличивая потери энергии в них. Произведение действующих значений напряжения и тока называется полной мощностью, выражаемых в вольт-амперах или киловольт-амперах.

Габариты электрических аппаратов и машин определяются полной мощностью, так как сечения обмоточных проводов зависят от тока, а изоляция токопроводящих частей от напряжения, под которым они находятся. Отношение активной мощности к полной показывает какая доля мощности потребляется цепью, и называется коэффициентом мощности, равным косинусу угла сдвига фаз между напряжением и током.

Приложение 2

- Что представляет собой переменный электрический ток?

- На каком явлении основано получение переменной ЭДС в цепи?

- Чему равна разность фаз колебаний силы тока и напряжения на активном сопротивлении?

- Как соотносятся действующие значения переменного тока и напряжения со значениями постоянного тока и напряжения?

- Как определяется мощность в цепи переменного тока?

- В каких единицах выражается реактивная мощность и полная мощность?

Справочная литература:

1. В.М. Прошин, Электротехника, учебник, М., Академия, 2014 г.

1. В.А. Кацман, Лабораторные работы по электротехнике, М.

1. Новиков П.Н. Задачник по электротехнике: практикум для учреждений нач. проф. образования / П.Н. Новиков, О.В. Толчеев. – 5-е изд.,
   стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 384 с.

1. Прошин В.М. Лабораторно-практические работы по электротехнике: учебное пособие для учреждений нач.проф.образования/В.М.Прошин -7-еизд.стер.-М,:Издательский центр «Академия»,2013.-208 с.