1. Виробництво, передача та використання енергії змінного струму. Трансформатор. (ВИВЧИТИ: Фізика-11., вид-во «Ранок», 2019р., 272ст., ред. Бар’яхтар В.Г., (в електронному варіанті), *21, ст.116, ЗРОБИТИ: Впр.21(1-5), Впр.21(6).

https://onlinetestpad.com/ua/tests/informatics/11class

Виробництво, передання й використання енергії електричного струму

Мета уроку: ознайомити учнів з одним з основних напрямків науково-технічного прогресу — розвитком енергетики.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань 5 хв. 1. Як визначається енергія магнітного поля?
2. Одержання змінного струму.
3. Генератор змінного струму
Демонстрації 5 хв. Будова і принцип дії трансформатора
Вивчення нового матеріалу 25 хв. 1. Основні етапи виробництва, передання й споживання електроенергії.
2. Виробництво електроенергії.
3. Передання електроенергії.
4. Трансформатори
Закріплення вивченого матеріалу 10 хв. 1. Якісні питання.
2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Основні етапи виробництва, передання й споживання електроенергії
1) Механічну енергію перетворюють в електричну за допомогою генераторів на електростанціях;
2) електричну напругу підвищують для передання електроенергії на більші відстані;
3) електроенергію передають під високою напругою по високовольтних лініях електропередач;
4) під час розподілу електроенергії споживачам електричну напругу знижують;
5) під час споживання електроенергії її перетворюють в інші види енергії — механічну, світлову або внутрішню.
2. Виробництво електроенергії
Електроенергію виробляють в основному на електростанціях трьох типів:
1) теплових електростанціях (більше 50 %);
2) гідроелектростанціях (20-25 %);
3) атомних електростанціях (15 %).
Ø На електростанціях механічну енергію перетворюють в електричну за допомогою індукційних генераторів, у яких використовують явище електромагнітної індукції.
Механічною енергією на гідроелектростанціях є кінетична енергія води, що падає. Механічну енергію одержують із внутрішньої енергії за допомогою теплових двигунів (зазвичай парових турбін). На теплових електростанціях внутрішня енергія виділяється під час спалювання нафти, вугілля або газу, а на атомних — у результаті поділу атомних ядер радіоактивних речовин (переважно урану).
3. Передання електроенергії
На електростанціях електрична енергія виробляється під напругою в десятки тисяч вольт. Потім для зменшення втрат під час передання на більші відстані напругу підвищують у десятки разів — до сотень тисяч вольт. Розподіляючи електроенергію по споживачах, напругу задля безпеки знижують у тисячі разів (до 220 В у житлових приміщеннях). Для підвищення й зниження напруги використовують трансформатори, дію яких засновано на явищі електромагнітної індукції.
Ø Головна причина втрат під час передання енергії — це нагрівання проводів, тобто перетворення електричної енергії у внутрішню: через те що опір проводів не дорівнює нулю, що йде уздовж проводів, енергія електричних і магнітних полів частково «утікає» у проводи, спричиняючи їх нагрівання.
Як зменшити ці втрати?
Закон Джоуля-Ленца стверджує, що в провіднику під час проходження струму виділяється кількість теплоти Q, прямо пропорційна квадрату сили струму І, опору провідника R й часу проходження струму t: Q = I2Rt. Тому для того, аби зменшити нагрівання проводів даного опору, треба зменшити силу струму в проводах.
Однак для збереження тієї ж переданої потужності зменшення сили струму в декілька разів повинне супроводжуватися збільшенням напруги в таку саму кількість разів, тому що потужність, передана споживачеві, дорівнює добутку UI, де U — напруга, під якою передана електроенергія. У високовольтних лініях електропередач напруга становить сотні тисяч вольт — у тисячі разів більше, ніж у проводах, що розміщено усередині квартир (серединно-квартирна проводка зазвичай має напругу 220 В).
Хоча висока напруга й має описані вище більші переваги, але в неї є й величезний недолік: вона небезпечна для життя. Тому, перш ніж передати її споживачеві, напругу в кілька етапів знижують у тисячі разів — до сотень вольтів.
Однак і після цього зниження напруги в домашній проводці, що дорівнює зазвичай 220 В, все-таки є небезпечним: ураження електричним струмом може спричинити навіть напруга в 30 В. Струм усередині тіла людини йде переважно нервовими сітками, порушуючи їхню роботу, а також керовану ними роботу серця й дихання. Струм силою 0,025 А спричиняє нетривалий параліч (це приблизно струм у настільній лампі), а струм силою 0,1 А є смертельним.
4. Трансформатори
Електричний струм ніколи не здобув би такого широкого застосування, якби його не можна було перетворити майже без втрат енергії. Перетворення змінного струму, за якого напруга збільшується або зменшується в кілька разів практично без втрати потужності, здійснюється за допомогою трансформаторів.
Ø Трансформатор — пристрій, що застосовують для підвищення або зниження напруги змінного струму.
Найпростіший трансформатор являє собою дві котушки, намотані на загальний сталевий сердечник. Одна котушка підключається до джерела змінної напруги (ця котушка називається первинною обмоткою), а з іншої котушки (вторинної обмотки) знімають змінну напругу для подальшого її передання.
Змінний струм у первинній обмотці створює змінне магнітне поле. Завдяки сталевому сердечнику вторинну обмотку, намотану на той самий сердечник, пронизує практично таке саме змінне магнітне поле, що й первинну.
Оскільки всі витки пронизує той самий змінний магнітний потік, в кожному витку внаслідок явища електромагнітної індукції генерується та сама напруга. Тому відношення напруг U1 і U2 на первинній і вторинній обмотках дорівнює відношенню кількості в них витків:

Зміну напруги трансформатором характеризує коефіцієнт трансформації.
Ø Коефіцієнт трансформації — величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

Підвищувальний трансформатор — трансформатор, що збільшує напругу (U2 > U1). У підвищувального трансформатора кількість витків N2 у вторинній обмотці має бути більшою за кількість витків N1 у первинній обмотці, тобто k < 1.
Понижувальний трансформатор — трансформатор, що зменшує напругу (U2 1.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Яке явище використовують під час виробництва електроенергії на електростанціях?
2. Чому електричну енергію на значні відстані передають під високою напругою?
3. Чому, перш ніж подати споживачам електричну напругу, її знижують?
4. На якому принципі базується робота трансформатора?
Другий рівень
1. Які властивості електричної енергії визначають її значення в сучасній техніці?
2. Яка енергія перетворюється в електричну?
3. Чи можна трансформувати постійний струм?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. У якій з обмоток понижувального трансформатора (первинній або вторинній) діаметр проводів повинен бути більше? Відповідь поясніть.
2. Для чого сердечник трансформатора набирають із тонких сталевих пластин, ізольованих одна від одної?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. У первинній обмотці 200 витків, а у вторинній — 25 витків. Підвищує чи знижує напругу цей трансформатор? У скільки разів?
2. Трансформатор підвищує напругу від 10 В до 200 В. Скільки витків у вторинній обмотці трансформатора, якщо первинна обмотка містить 600 витків?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
· Трансформатор — пристрій, що застосовують для підвищення або зниження напруги змінного струму.
· Коефіцієнт трансформації — величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

2. Практикум з розвязування задач з теми – Виробництво, передача та використання енергії змінного струму. Трансформатор. (ВИВЧИТИ: Фізика-11., вид-во «Ранок», 2019р., 272ст., ред. Бар’яхтар В.Г., (в електронному варіанті), *21, ст.116, ЗРОБИТИ: Впр.21(1-5), Впр.21(6).

ТРАНСФОРМАТОР. РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ. ПЕРЕДАЧА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ НА ВІДСТАНЬ ТА ЇЇ ВИКОРИСТАННЯ

ТРАНСФОРМАТОР
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 (мал.З. 21) в основному складається з двох (або більшої кількості) котушок, намотаних на феромагнітне (наприклад, сталеве) осердя. Одну з цих котушок (обмоток), яка приєднується до лінії від генератора, називають первинною.

Споживачі (електродвигуни, лампи, нагрівники тощо) приєднуються до вторинної обмотки трансформатора.
Осердя багатьох трансформаторів виготовляють із трансформатичної сталі і роблять замкненим, щоб зменшити втрати енергії в ньому. Сталь беруть у вигляді пластин, ізольованих одна від одної, що зменшує втрати енергії в разі виникнення вихрових струмів.
Змінний струм, що проходить у колі первинної обмотки l з кількістю витків N1, створює в осерді змінне магнітне поле. Це поле є спільним для обох обмоток трансформатора. У вторинній обмотці трансформатора 2 з кількістю витків N2 індукується електрорушійна сила.
Оскільки обмотки трансформатора мають спільне змінне магнітне поле, то в кожному їх витку виникає однакова електрорушійна
За допомогою трансформаторів можна в широких межах змінювати сили струму і напруги змінних струмів без істотних втрат потужності сила. Електрорушійна сила в обмотках пропорційна кількості витків у них:

Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, то таке явище називають холостим ходом трансформатора. У цьому разі напруга U2 дорівнює електрорушійній силі . У первинній обмотці при цьому проходить струм невеликої сили — струм холостого ходу.

Отже, під час холостого ходу напруги на обмотках трансформатора можна вважати пропорційними кількостям витків у них:

де k — коефіцієнт трансформації.
Якщо k U1 і трансформатор є підвищувальним; якщо k > 1, напруга U2 менша від U1 і трансформатор є знижувальним.
Коли до вторинної обмотки приєднують споживачі, вторинне коло замикається — це так званий робочий хід трансформатора. Струм І2 вторинної обмотки є індукційним, тому його магнітне поле відповідно до закону Ленца послаблює магнітне поле, яке його викликало. Отже, магнітний потік в осерді зменшується, а відповідно зменшується і . Сила струму I1 зростає до значення, коли магнітний потік в осерді стане таким, як і був раніше.
Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, можна вважати, що і .
Сучасні трансформатори мають коефіцієнти корисної дії від 90 до 99,5%, тобто втрати енергії в них незначні. Тому наближено

При розімкненому колі вторинної обмотки трансформатора явище називають його холостим ходом
Коефіцієнт трансформації при холостому ході визначається відношенням кількостей витків в обмотках трансформатора

звідки

Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, то можна вважати, що

Один і той самий трансформатор, якщо в ньому є кілька обмоток, може бути як підвищувальним, так і знижувальним, або якщо за наявності лише двох обмоток поміняти їх місцями.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ’ЯЗУВАННЯ 13
1. На фото подано осцилограму вільних коливань у коливальному контурі (С = 0,25 мкФ).

1) Дослідіть, чи залежить період вільних коливань від їх амплітуди.
2) Визначте період, частоту і циклічну частоту коливань, якщо вони відбуваються протягом 0,01 с.
3) Визначте індуктивність котушки контура.
2. Коливальний контур складається з конденсатора ємністю 10 пФ і котушки індуктивністю 3 мГн. Знайдіть частоту електромагнітних коливань у контурі.
3. В коливальному контурі максимальний електричний заряд конденсатора 10~6 Кл, а максимальна сила струму — 0,03 А. Який період електромагнітних коливань у контурі?
4. Конденсатор ємністю 50 пФ спочатку з’єднали з джерелом постійного струму з електрорушійною силою З В, а потім з котушкою індуктивністю 5 мкГн. Яка частота коливань, що відбуваються в контурі? Яка максимальна сила струму в контурі?
5. Електричний заряд на пластинах конденсатора коливального контура змінюється з часом згідно з рівнянням q = 10-6cos105пt. Запишіть рівняння залежності сили струму від часу. Знайдіть період і частоту коливань у контурі, амплітуду коливань заряду і сили струму.
6. Конденсатор ємністю 20 мкФ зарядили до напруги 400 В і приєднали до котушки з певною індуктивністю. В контурі виникли затухаючі коливання. Яка кількість теплоти виділиться в контурі за час, коли амплітуда коливань напруги зменшиться у 4 рази?
7. Маємо послідовно з’єднані резистор з опором 3,9 кОм і конденсатор ємністю 0,25 мкФ. До такої ділянки кола прикладено напругу промислової частоти (50 Гц). Визначте: 1) ємнісний опір ділянки кола; 2) повний опір ділянки кола; 3) коефіцієнт потужності; 4) зсув фаз сили струму і напруги на ділянці кола; 5) котушку якої індуктивності треба з’єднати послідовно з резистором і конденсатором, щоб спостерігався резонанс?
8. У коло змінного струму увімкнемо конденсатор ємністю 1 мкФ і — дросель (котушку) індуктивністю 0,1 Гн. Знайдіть відношення індуктивного опору до ємнісного за частоти 50 Гц і 5 кГц. За якої частоти струму ці опори будуть однаковими? Яке явище при цьому спостерігається?
9. Первинна обмотка силового трансформатора радіоприймача має 2200 витків. Скільки витків повинна мати вторинна обмотка, що використовується для живлення споживача за напруги 5 В і сили струму 2 А? Опір вторинної обмотки 0,1 Ом. Напруга в мережі 220 В. Яка сила струму у первинній обмотці трансформатора?
10. На замкнуте залізне осердя надіто дві обмотки. Як визначити число витків у кожній з обмоток, якщо в розпорядженні є джерело змінного струму, провідники довільної довжини і вольтметри на будь-які значення напруг?

ЯК ДОЦІЛЬНО ПЕРЕДАВАТИ ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ НА ВІДСТАНЬ?
У багатьох випадках розв’язування фізичних задач може бути джерелом нових теоретичних чи практичних висновків. Іноді навіть кажуть що розвиток фізичної науки є послідовним розв’язуванням задач, що постають. Розглянемо одну з таких задач, яка є у будь-якому серйозному збірнику задач з фізики.
Задача. Електроенергію від електростанції потужністю 62 кВт передають за допомогою лінії з опором 5 Ом. Визначити втрату напруги і потужності в лінійних проводах та коефіцієнт корисної дії передачі енергії у разі, коли передача здійснюється за напруги на електростанції: 1) 620 В; 2) 6200 В.

Порівняння одержаних результатів дає змогу дійти таких висновків:
1) підвищення напруги в лінії у 10 разів у стільки ж разів зменшує втрати напруги;
2) підвищення напруги в лінії у 10 разів зменшує втрати потужності (й енергії) у 100 разів. Напрошуються два висновки чи два завдання:
1) передавати електричну енергію за якомога вищих напруг;
2) створити пристрої, які б давали змогу за потреби підвищувати напругу (у разі подачі енергії від генераторів до лінії передачі) і знижувати її (у разі подачі від лінії передачі до споживачів).
Такі пристрої були створені, їх назвали трансформаторами.
ЗАПИТАННЯ
1. Які функції електричного трансформатора?
2. З яких основних частин складається трансформатор?
3. З яких речовин виготовляються осердя трансформаторів?
4. Які обмотки трансформаторів вважають первинними і які вторинними?
5. Що таке коефіцієнт трансформації?
6. Що таке холостий і робочий хід трансформатора?
7. Який коефіцієнт корисної дії мають сучасні трансформатори?
8. Як змінюються втрати напруги в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?
9. Як змінюються втрати потужності в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?
10. Що таке коефіцієнт корисної дії лінії електропередачі?
11. Для чого потрібні трансформатори?

Орієнтовні теми для навчальних проекетів – презентацій
1. МАГНІТНЕ ПОЛЕ
2. СИЛА АМПЕРА
3. ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА.
4. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У МЕТАЛАХ.
5. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛІТАХ.
6. ЕЛЕКТРОЛІЗ.