Разработка урока

Ф(11)

Урок № 18 Дата: 06.11.2025

Тема урока :Устройство и практическое применение электрического звонка, генератора переменного тока и ,линий электропередач

Образовательная цель: рассмотреть устройство и принцип работы электрического звонка ;этапы создания генератора переменного тока и обзор линий электропередач

Развивающие:  способствовать развитию у учащихся УУД (познавательного) поиска и распознавания полезной информации

Воспитательные:цели: воспитывать в учащихся чувство патриотизма, гуманности, уважения к старшим, этические нормы, дисциплинированность.

Тип урока: Комбинированный

Методы и формы обучения: пояснительно иллюстративный

Литература. Мякишев Г.Я.,Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2022. – С. 74 - 82

Ход урок

1.  Организационный момент

2. Актуализация базовых знаний.

3. Мотивация учебной деятельности. Сообщение темы цели и задачи урока.

4.Сообщение новых знаний.

Основные принципы работы электрического звонка

Электрический звонок функционирует благодаря преобразованию электрической энергии в механические колебания, которые создают звуковые волны. Этот процесс начинается с момента замыкания электрической цепи при нажатии на кнопку. Когда пользователь нажимает на наружную кнопку звонка, замыкается электрическая цепь, по которой начинает течь ток. Этот ток проходит через катушку индуктивности, создающую магнитное поле. Сила этого поля зависит от напряжения в сети и характеристик самой катушки – количество витков, диаметр провода и прочих параметров.

Магнитное поле притягивает металлический сердечник, который соединен с ударным механизмом. При этом возникает механическое движение, приводящее к удару по металлической пластине или чаше. Интересно отметить, что частота колебаний может варьироваться от 2000 до 4000 Гц, что обеспечивает четкий слышимый сигнал.

Современные исследования показывают, что именно такая частота наиболее эффективна для восприятия человеческим ухом в бытовых условиях [Источник: Исследование акустических систем, 2024].

После удара сердечник возвращается в исходное положение благодаря возвратной пружине, и процесс повторяется до тех пор, пока кнопка остается нажатой. Это создает характерный прерывистый звук, который можно услышать даже на значительном расстоянии. Важно понимать, что эффективность работы электрического звонка напрямую зависит от качества контактов, правильного подключения и состояния электромагнитной системы. Согласно данным сервисных служб, около 65% проблем с работой звонков связаны именно с некачественным электрическим контактом или перепадами напряжения в сети.

• Электромагнитная система преобразует электрический ток в механическое движение

• Частота колебаний оптимизирована для лучшего восприятия человеком

• Качество звука зависит от материала ударной пластины и конструкции механизма

Современные модели электрических звонков могут иметь дополнительные функции: регулировку громкости, различные мелодии, световую индикацию и даже беспроводное подключение. Однако базовый принцип работы остается неизменным – преобразование электрической энергии в механические колебания через электромагнитную систему. Знание этих основных принципов поможет лучше понять работу устройства и своевременно диагностировать возможные неисправности.

Основной частью электрического звонка является электромагнит.

Электрический звонок действует так: при замыкании электрической цепи выключателем электромагнит притягивает к себе якорь с молоточком и подвижным контактом; молоточек ударяет по чашечке звонка; подвижный и неподвижный контакты размыкаются и электрическая цепь размыкается; электромагнит опускает якорь; подвижный контакт под действием силы упругости снова замыкается с неподвижным контактом – вест процесс повторяется.

Намагничивание и размагничивание электромагнита происходит быстро, якорь все это время колеблется, размыкая и замыкая цепь, а молоточек ударяет по чашечке, вызывая звон.

В зависимости от конструкции электрические звонки могут работать как от батарей карманного фонаря, так и от электросети.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Генератор переменного тока – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока.

Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия электромагнитной индукции Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года.

Открытие Фарадеем данного явления указало новый способ получения электрического тока, ведь магнитоэлектрическая машина основана на том, что электрический ток может быть вызван без всякой батареи одним передвижением магнита относительно замкнутых проводников.

Учёные и изобретатели тут же стали предпринимать попытки применения данного явления для получения электричества при помощи энергии движения.

Первый изобретатель электрического генератора, основанного на явлении электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования Фарадеем своего доклада о явлении электромагнитной индукции, учёный нашёл в своём почтовом ящике письмо, подписанное латинскими буквами P.M., и приложенный к нему чертёж. Письмо содержало описание первого в мире синхронного генератора с возбуждением тока от постоянных магнитов.

Внимательно разобравшись в этом проекте, Фарадей направил письмо и чертёж в тот же журнал, в котором был напечатан его доклад. Он надеялся, что неизвестный автор, следя за журналом, увидит опубликованным свой проект и сопровождавшее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее это изобретение. Действительно, спустя почти полгода P.M.

прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами P.M.

Человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, не знает, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений.

Машина Р.М. была первым генератором переменного тока и не имела устройства для выпрямления тока. Необходимо было создать машину, в которой можно было бы получать ток, постоянный по величине и направлению.

Почти одновременно с неизвестным автором конструированием генераторов занимались в Париже братья Пикси (Ипполит и Карл) и профессор физики Лондонского университета, член Королевского общества В. Риччи. Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления

переменного тока в постоянный – так называемый коллектор. Первая магнитоэлектрическая машина братьев Пикси (рис. 8.1) была построена в 1832 году. Она явилась предшественницей всех динамо- машин, т.е. всех машин, служащих для превращения энергии движения в электрическую энергию.

Мимо неподвижных катушек Е и Е ', снабженных сердечниками, движутся посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита А, В, вследствие чего в катушках вызываются токи переменного направления. В генераторе братьев Пикси нужно было

вращать тяжелые постоянные магниты, что затрудняло пользование им. Со временем поняли, что целесообразнее сделать неподвижными постоянные магниты, а вращать более легкие катушки между полюсами магнитов. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Сильный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта.

В 1854 году в Париже была открыта первая фабрика «Compagnie L’Alliance» поизготовлению крупных магнитоэлектрических машин (рис. 8.2).

В генераторе «Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. Различные варианты таких генераторов имели разное число рядов магнитов (3,5,7). В промежутках между

рядами магнитов устанавливались на валу кольца с большим числом катушек-якорей. На валу был укреплен коллектор с металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. Коллекторными щетками служили специальные ролики. В машине было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки.

В генераторе «Альянс» можно было изменять соединение обмоток катушек, в результате чего менялась ЭДС в цепи. Поэтому генератор мог давать или большой ток низкого напряжения и служить, например, для целей гальванопластики и электролиза, или ток меньшей силы, но более

высокого напряжения (40–250 В) для питания дуговых ламп.

В 1851 году идею о замене постоянных магнитов электромагнитами, возбуждаемыми током от магнитоэлектрической машины, высказал В. Зинстеден. Так начался второй этап развития электрогенераторов, занявший сравнительно небольшой отрезок времени.

II этап

В 1856 г. важнейшее усовершенствование в конструкцию магнитоэлектрической машины, а именно в

конструкцию движущихся магнитных катушек и их железных сердечников, внес Вернер Сименс.

Такие катушки с железом внутри называются якорем. Сименс придал якорю более удобную форму в виде «двойного Т». Якорь вращается между полюсами плотно обхватывающих его магнитов, причем количество магнитов может быть легко увеличено при соответствующем увеличении длины якоря.

Якорь Сименса позволил в дальнейшем усовершенствовать конструкцию магнитоэлектрической машины (рис. 8.3). В конце того же года Сименс обратил внимание на то, что железо сердечникаэлектромагнита сохраняет следы магнетизма и после выключения тока. Этот остаточный магнетизм

оказался достаточным для начала процесса самовозбуждения. Отпала необходимость в отдельном генераторе для питания обмотки электромагнита.

Таким образом, Вернер Сименс установил принцип создания и построил первую динамоэлектрическую машину постоянного тока (рис. 8.4) для

взрывания мин, которую и продемонстрировал в конце 1866 года перед несколькими выдающимися физиками. 17 января 1867 года Сименс выступил в Берлинской академии наук с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Этот доклад

заканчивался словами:«…современной технике даны средства дешевым и удобным способом вызывать электрические токи неограниченной силы повсюду, где имеется рабочая сила. Этот факт будет иметь большое значение во многих ее отраслях». Большим шагом вперед в развитии электрических генераторов было открытие принципа самовозбуждения, который получил широкую известность после 1867 года, когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением, начался третий

этап в развитии электрического генератора.

Бельгиец Теофил Грамм в 1869 году создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине Грамм использовал принцип самовозбуждения, а также усовершенствовал якорь Сименса, придав ему форму кольца. Он обвил железное кольцо непрерывной проволокой, концы которой соединил вместе, и таким образом получил спираль.

Обороты спирали в каждой половине кольца соединены последовательно, но обе половины обмотки кольца соединены противоположно друг другу. Токи с обеих сторон направляются к верхней точке кольца, образуя положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отрицательный полюс. Кольцевая машина Грамма (рис. 8.5) явилась первой практической динамо-машиной с барабанным якорем. Такая весьма сложная конструкция якоря с незначительными усовершенствованиями используется и в настоящее время.

Барабанный якорь позволяет достичь кругового пути прохождения максимального количества линий сил, возбуждающих ток в обмотке электромагнитов. Грамм дал несколько конструкций своей машины. В одной из первых его машин кольцевой якорь был укреплен на горизонтальном валу. Он вращался между охватывавшими его полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив. Обмотка электромагнита была включена последовательно с обмоткой. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводился с

помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора.

Машина Грамма в сравнении с магнитоэлектрической машиной такого же веса развивала в шесть раз большую мощность. Этот генератор быстро вытеснил генераторы других типов и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов XIX века был уже хорошо известен принцип обратимости, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

В течение 70–80-х годов XIX века машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины, а были направлены на повышение качества, улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, повышение качества щеток и

пр.

В современной жизни большую роль играет электричество. Питают электроэнергией частные дома и большие производственные и промышленные объекты электрические подстанции, от которых ток передается до конечного потребителя благодаря ЛЭП (линия электропередачи). Она играет важную роль в этой цепочке.

Сеть состоит из множества таких линий, где ток передается на значительные расстояния или распределяется по определенным участкам, проходя через трансформаторы, которые понижают чрезмерно высокие напряжения.

ЛЭП (линии электропередачи) – это часть масштабной энергетической системы, которая связывает объект, вырабатывающий переменный электроток, с преобразовательными и распределительными узлами. Последние передают электроэнергию обслуживаемым точкам.

ЛЭП состоит из множества высоковольтных проводов с металлическими медными, реже алюминиевыми жилами.

Все линии электропередачи делятся по номинальному значению напряжения:

1. Низковольтные – это ЛЭП, которые используют для питания напряжение до 1 кВ, чаще всего на 0,23 и 0,4 кВ.

2. Среднего напряжения – номинал в 6 и 10 кВ. Они применяются в распределительных сетях для снабжения объектов электричеством на расстоянии до 10 км, на 35 кВ – для питания населенных пунктов, передачи электричества между ними.

3. Высоковольтные – это ЛЭП, которые используют между городов, подстанциями с напряжением на 110, 154, 220 кВ.

4. Сверхвысокие – в них номинальное напряжение 330 и 500 кВ передается на большие расстояния.

5. Ультравысокие – применяются для питания от электростанции до распределительных узлов, передают значение в 750 и даже 1150 кВ.

Высоковольтные линии могут прокладываться в разных средах, от чего возникла основная классификация:

1. Воздушные. Образуют сеть при помощи опор.

2. Кабельные. Прокладываются в грунте или водной среде.

3. Газоизолированные. Подразумевают использование везде благодаря прокладке токоведущих жил, покрытых металлической оболочкой с изолирующим газом или газовой смесью.

ЛЭП прокладываются вдоль крупных трасс или по пустым территориям без населения и жилых строений, что повышает безопасность, значительно упрощает монтаж, проведение технического обслуживания и ремонтных работ (свободный подъезд техники, ремонтной бригады).

Линии электропередачи передают переменный ток, потому что он характеризуется передачей на большие расстояния, чем постоянный. Значение напряжения в них выбирается с учетом отдаленности, например, между городами и крупными предприятиями устанавливаются системы на напряжение 35-150 кВ, в городах, поселках и других населенных пунктах это значение составляет до 20 кВ, а магистральные ЛЭП рассчитаны на напряжение 220-500 кВ и соединяют генерирующую ток подстанцию с городскими электросистемами.

Воздушные линии электропередач – это самый известный вариант электрической системы. В их состав входят следующие элементы:

• несущие опоры;

• провода с металлическими жилами;

• изоляторы;

• громоотводы и заземление;

• арматурные крепления с метизами;

• сигнальные устройства для летательных аппаратов;

• устройства для дистанционного контроля, связи;

• волокнисто-оптическое покрытие для обеспечения связи.

Все эти элементы выполняют важную роль: одни нужны для создания максимальной безопасности во время непогоды, скачков напряжения, вторые – для создания соединительных узлов и установки опорных конструкций, третьи – необходимы для локального отключения ЛЭП для профилактических осмотров состояния или ремонта конкретного участка, четвертые – подразумевают выполнение удаленного контроля, управления подключенными элементами.

Воздушные линии электропередачи бывают:

1. Дальние и межсистемные. Такие ЛЭП характеризуются напряжением свыше 500 кВ, предназначены для обслуживания нескольких подключенных линий.

2. Магистральные. Они объединяют станции в пределах одной системы, обслуживают подстанции. В них напряжение составляет 220-500 кВ.

3. Распределительные. Монтируются для питания отдельных объектов. Значение напряжения в них составляет 110-220 кВ. Данный вид дополнительно подразделяется на два типа. Первый имеет напряжение 35кВ и протягивается к объектам сельскохозяйственного назначения и частному жилому сектору. Второй тип отличается напряжением менее 20 кВ, применим для подключения потребителей к электросети. Обычно, для городского сектора хватает линии 10 кВ.

Воздушные линии возможно определить по:

• разновидности опор;

• внешнему виду изоляторов и их числу;

• проводам;

• площади охраняемой зоны;

• обозначению на опорах (Т – 35, С – 110, Д – 220 кВ).

Этот параметр прямо зависит от значения напряжения, поэтому все ЛЭП делятся:

1. На напряжение 0,23 и 0,4 кВ число проводов составляет 2 и 4, иногда присутствует еще один провод заземления.

2. Для напряжения ВЛ 6 – 10 кВ нужно 3 провода.

3. В линиях от 35 до 220 кВ один провод для каждой фазы, помимо них могут применяться защитные провода от грозы. Часто на опорах ЛЭП монтируют две линии, образующие 6 проводов.

4. При напряжении 330 кВ и выше фаза обеспечивается несколькими проводами, уже применяется расщепление фазных проводов для сокращения потерь.

О напряжении в ЛЭП можно судить по виду установленных опор. Каждое номинальное значение напряжения имеет допустимое минимальное расстояние, обеспечивающее безопасность. Поэтому, чем оно больше, тем выше расположены провода. Соответственно, размеры и конструкция опоры должны обеспечивать допустимые расстояния в провесе.

Опоры делятся на:

1. Промежуточные. Они располагаются на прямых участках трассы установок, их используют только, чтобы удержать кабели.

2. Анкерные. Устанавливаются на прямых границах ВЛ.

3. Концевые стойки. Это разновидность анкерных опор. Они размещаются в начале и конце ВЛ. В стандартных условиях эксплуатации установки принимают нагрузку от кабелей.

4. Специальные стойки. Изменяют положения кабелей на ЛЭП.

5. Стойки с декором. Они выполняют роль не только поддержки, но и предназначены для эстетичной красоты.

Сегодня опоры различаются по материалу. Существуют конструкции:

• из дерева;

• металлические;

• железобетонные.

По особенностям конструкции бывают:

• стойки;

• мачты;

• порталы.

Чем выше напряжение в ЛЭП, тем более прочны должны быть изоляторы. Сопротивление электротоку увеличивается за счет большей длины пути тока утечки. Чем выше напряжение, тем больше размер изолятора, больше ребер расположено на рубашке. Также ребра могут быть усилены несколькими кольцами.

Взаимосвязь напряжения и числа изоляторов:

1. Для линий до 6 кВ используются штыревые изоляторы размером с кулак.

2. Линии 6-10 кВ оборудуются более крупными изоляторами штыревого типа, имеющими широкую «юбку».

3. Если в линии имеется напряжение 35кВ, то для них могут применяться штыревые с еще большими размерами или подвесные изоляторы.

4. Линии в 110 кВ могут быть оборудованы только подвесными изоляторами, которые образуют гирлянду из 5-8 штук.

5. ЛЭП с значением в 220 кВ характеризуются наличием подвесных изоляторов, но в еще большем количестве, чем предыдущий вид (10-14 штук).

6. В ВЛ с 330 кВ подвесных изоляторов более 14 штук.

7. В ЛЭП с 500 кВ устанавливают не менее 20 изоляторов, используют грозозащиту.

Еще одним методом повышения диэлектрической устойчивости линии электропередачи по отношению к опоре являются несколько собранных последовательно включенных изоляторов. Она называется гирлянда ВЛ.

Чем больше гирлянды изоляторов, тем выше разницу потенциалов они способны выдержать. Но не нужно их путать с параллельно собранными изоляторами, которые нужны для повышения надежности в местах прохода ЛЭП над дорожными полотнами, другими линиями, коммуникациями и строениями.

Среди особенностей воздушных линий электропередач есть важные характеристики, которые учитываются при создании проекта и монтаже данного вида:

• длина пролета между опорами;

• расстояние между фазными проводниками и самым нижним (габарит линии);

• показатель длины гирлянды изоляторов на основании номинала напряжения;

• вся высота опорных конструкций.

Чтобы предотвратить повреждения воздушных линий и в целях профилактики отключений в случае аварии, вызванной грозой, над фазными проводами пускают молниеотвод из стали или сплава с добавлением алюминия в виде троса, который имеет сечение 50-70 мм² и заземлен на опорах. Часто его делают полым, чтобы использовать это пространство для создания высокочастотных каналов связи.

Защищают от перенапряжений специальные вентильные разрядники, которые возникают при разрядах молнии. При появлении на проводах индуцированного грозового импульса получается пробой искрового промежутка.

В результате этого разряд переходит на опору, которая имеет потенциал земли, без повреждения изоляционного покрытия. Благодаря специальным заземляющим устройствам опоры снижают сопротивление.

Для прокладки таких ВЛ (высоковольтных линий) используются кабели, которые представлены проводами с разными фазами, но имеющие хорошую изоляцию друг от друга. В качестве изолирующего материала могут быть использованы твердые покрытия на основе поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена (ПЭ), бумаги с пропиткой из масла или нефтяного битума.

ЛЭП такого вида могут быть проложены под водой, под землей, под строениями.

Прокладку кабельных ЛЭП можно осуществить, использую разные конструкции:

1. Тоннель – конструкция, подразумевающая возможность нахождения и перемещения внутри.

2. Канал – частично или полностью скрыт, может иметь съемное перекрытие в своей верхней части.

3. Шахта – строение с проходными или непроходными частями (съемные стенки).

Существуют и другие виды кабельных конструкций, например, колодец, галерея, двойной пол. Они имеют свои особенности, преимущества и недостатки, но их объединяет то, что они предназначены только для монтажа кабеля с креплениями, силовыми муфтами, ответвлениями.

Кабельные ЛЭП различаются и по типу изоляционного покрытия:

• ПВХ;

• масляно-бумажная;

• бумажно-резиновая;

• из сшитого ПЭ;

• этилен-пропиленовая.

Помимо указанных выше видов можно встретить жидкую и газовую изоляцию, однако, они менее популярны.

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные части электрического звонка.

2. Объясните, как действует электрический звонок.

3. Где применяется электрический звонок?

4. При длительной работе звонка контакты обгорают, и звонок перестает работать. Что нужно сделать, чтобы звонок снова заработал?

Подведение итогов урока.

Домашнее задание. Параграф 26 читать.