Презентация к уроку

Трансформатор.

«Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней,

Без темноты, магнита, света

И электрических лучей?»

Павел Николаевич Яблочков

( 14 (26) сентября   1847 - 19 (31) марта   1894  )(46 лет)

получил мировую известность как изобретатель конструкции электрической свечи – предшественницы современной лампы накаливания . Свеча Яблочкова представляла собой два стержня, разделённых изоляционной прокладкой из каолина. Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних концах зажигался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал. Каждая свеча горела полтора часа; по истечении этого времени приходилось вставлять в фонарь новую свечу (впоследствии были придуманы фонари с автоматической заменой свечей). 15 апреля 1876 года в Лондоне открылась выставка физических приборов, на которой Яблочков представил четыре своих свечи. Успех «свечи Яблочкова» превзошёл все ожидания. Мировая печать, особенно французская, английская, немецкая, пестрела заголовками: «Вы должны видеть свечу Яблочкова»; «Изобретение русского отставного военного инженера Яблочкова — новая эра в технике»; «Свет приходит к нам с Севера — из России»; «Северный свет, русский свет, — чудо нашего времени»; «Россия — родина электричества» и т. д. С марта 1876 по октябрь 1877 — он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и открытий – в том числе, и первый генератор переменного тока, и первый в мире трансформатор переменного тока – именно за это изобретение сегодня и почитают Яблочкова.

  В странах Европы и Америки наибольшее распространение получил ток, меняющий свое направление 100-120 раз в секунду. В России частота переменного тока 50 Гц.

Колебания  маятника  также подчиняются закону  синуса . Если записать проекцию траектории движения математического маятника  на движущуюся бумажную ленту — получится  синусоида .

С использованием переменного тока связан основной способ передачи электроэнергии вследствие относительной простоты его преобразования (повышения и понижения напряжения, выпрямления, изменения частоты).  

• Преобразование переменного тока , при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности ( при неизменной частоте тока), осуществляется с помощью трансформаторов. 

• Трансформатор преобразует переменный ток так: , P и  v  не изменяются .
• Первый трансформатор был изобретен в 1878 году русским ученым П.Н.Яблочковым и усовершенствован в 1882 году другим русским ученым И.Ф.Усагиным.

• Трансформа́тор  (от  лат.   transformo  — преобразовывать) —

это статическое  электромагнитное  устройство, имеющее две или более  индуктивно  связанные обмотки на каком-либо  магнитопроводе  и предназначенное для преобразования посредством  электромагнитной индукции   одной или нескольких систем (напряжений)  переменного тока  в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения  частоты

U₁ - напряжение на первичной обмотке,

U₂   - напряжение на вторичной обмотке,

N₁ - количество витков первичной обмотки,

N₂ - количество витков  вторичной обмотки,

I₁ - ток первичной обмотки,

I₂ - ток вторичной обмотки. 

В трансформаторе соблюдается закон сохранения энергии, то есть  какая мощность в транс заходит, такая и выходит.

Каждый виток первичной и вторичной обмоток пронизывает один и тот же магнитный поток, то в них возникают одинаковые ЭДС , равные по закону Фарадея для электромагнитной индукции:

е 1  = е 2  = – Ф'

ЭДС Е 1  и Е 2  действующие во всей первичной или вторичной обмотках, равны произведению ЭДС в одном витке е 1  или е 2  на число витков в обмотке N 1 и N 2

Е 1  = е 1 • N 1 Е 2  = е 2 • N

Вывод: ЭДС, действующие в обмотках, прямо

пропорциональны числу витков в них.

Сила тока в первичной обмотке трансформатора во столько раз больше силы тока во вторичной обмотке, во сколько раз напряжение в ней больше напряжения в первичной обмотке:

Если пренебречь падением напряжения на сопротивлениях обмоток, когда сопротивления малы, то можно записать отношение и для напряжений на обмотках трансформатора

Принцип действия основан на законе электромагнитной индукции:

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке . Магнитное поле концентрируется внутри сердечника и одинаково во всех его сечениях. Мгновенное значение индукции Ei в любом витке и первичной, и вторичной обмоток одинаково: Е 1  = Е 2

Потери энергии при работе трансформатора:

• на нагревание обмоток;
• на рассеивание магнитного потока в пространство;
• на вихревые токи в сердечнике и на его перемагничивание.

Меры, принимаемые для уменьшения потерь:

• обмотка низкого напряжения делается большого сечения так, как по ней протекает ток большой силы;
• сердечник делают замкнутым, чтобы уменьшить рассеяние магнитного потока;
• сердечник делают пластинчатым, чтобы уменьшить вихревые токи.

Благодаря этим мерам КПД современных трансформаторов

достигает 95-99%.

Работа трансформатора на холостом ходу.

Если первичную обмотку подключить к источнику переменного

напряжения , а вторичную оставить разомкнутой -

это режим называют холостого хода трансформатора

Во вторичной обмотке тока не будет, а в первичной обмотке появится слабый ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток.

Этот поток наводит в каждом витке обмоток одинаковую ЭДС, поэтому ЭДС индукции в каждой обмотке будет прямо пропорциональна числу витков в этой обмотке.

При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажимах U 2  будет равно наводимой в ней ЭДС Е 2 .

N 1 , то U 2   U 1 , коэффициент трансформации:  k   трансформатор называется  повышающим. N 2   1   U 2   1   k 1   трансформатор называется   понижающим. " width="640"

Величина, показывающая, во сколько раз данный

трансформатор изменяет напряжение переменного тока,

называется  коэффициентом трансформации .

При подаче на первичную обмотку трансформатора какого-либо напряжения U 1  на вторичной обмотке мы получаем на выходе U 2 .

Оно будет больше первичного , если обмотка содержит больше витков, чем первичная.

N 2   N 1 , то U 2   U 1 ,

коэффициент трансформации: 

k  

трансформатор называется  повышающим.

N 2   1   U 2   1

  k 1  

трансформатор называется   понижающим.

Эти формулы справедливы, если ни первичная, ни вторичная обмотки не содержат активного сопротивления R. Первичная обмотка, как правило, не содержит такого сопротивления, а вторая обмотка может его содержать.

Если она все же не содержит сопротивления или им можно пренебречь, то напряжение на выходе такой обмотки равно напряжению U 2 .

Когда вторичная обмотка трансформатора не имеет сопротивления R 2  = 0, то кпд = 100%

Апол = А затр , тогда U 1  I 1  t = U 2  I 2  t

U 1  I 1  = U 2  I 2 Р 1  = Р 2

Работа трансформатора с нагрузкой.

Если во вторичную цепь трансформатора включить нагрузку , то

во вторичной обмотке возникает ток .

Этот ток создает магнитный поток, который согласно правилу Ленца , должен уменьшить изменение магнитного потока в сердечнике, тогда уменьшится ЭДС индукции в первичной обмотке, поэтому ток в первичной обмотке должен возрасти , восстанавливая начальное изменение магнитного потока .

При этом увеличивается мощность, потребляемая трансформатором от сети.

Если же вторичная обмотка трансформатора имеет сопротивление вторичной обмотки R 2  

( говорится о длине проводников из которых изготовлена обмотка, или о материале проводника, или о сечении и диаметре проводов обмотки ),

то на выходе вторичной обмотки напряжение U 2 ' будет меньше расчетного напряжения U 2  на величину падения напряжения  U = I 2  • R 2  на этом сопротивлении из-за потерь энергии тока на джоулево тепло.

На выход (на нагрузку) Rн ''пойдет'' меньшее напряжение:

U 2 '   = U 2  –  U = U 2  – I 2  • R 2

Потери напряжения  U находят по закону Ома для участка цепи:

  U = I 2  • R 2 , откуда 

(отмечаем, что такой же ток течет и в нагрузке Rн, так как R 2  и Rн соединены последовательно).По закону Ома для участка цепи

сопротивлением  , тогда  напряжение на нагрузке:

Учитывая, что     

можем всегда найти нужную величину напряжения или силы тока, количество витков в катушках.

Использование трансформаторов. 

Трансформаторы используются в технике и могут быть устроены очень сложно, однако незыблемым остается принцип их действия: '' изменяющееся магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменный ток той же частоты, но другого напряжения''. В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2–3%.

на заводах и фабриках при подаче напряжения к двигателям станков 380–660 В.

при передаче электроэнергии по проводам от 100 до 1000В;

для электросварки и электроплавки;

в радиотехнике; и др.

Решение задач:

Задача 1.  Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока?

Задача 2.  Если сопротивление первичной обмотки, подключенной к источнику постоянного тока велико, то изменится ли напряжение во вторичной обмотке?

Задача 3.  Сколько витков должна иметь вторичная обмотка трансформатора, чтобы повысить напряжение с 220 до 11000В, если в первичной обмотке 20 витков? Каков коэффициент трансформации?

Задача 4.  Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение 105В?

Задача 5.  Мощность, потребляемая трансформатором, 90 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если напряжение на зажимах вторичной обмотки 12 В и КПД трансформатора 75%.

Задача 6.  Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть напряжением 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки 20В, ее сопротивление 1 Ом, сила тока 2А. Определите коэффициент трансформации и КПД трансформатора.

Задача 7.   Первичная обмотка трансформатора, включенного в цепь переменного тока с напряжением 220 В, имеет 1500 витков. Определить число витков во вторичной обмотке, если она должна питать цепь с напряжением 6,3В, при силе тока 0,5 А

Нагрузка активная. Сопротивление вторичной обмотки равно 0,2 Ом.

Сопротивлением первичной обмотки пренебречь.