Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Переменный электрический ток

Электромагнитные колебания и волны

Переменный электрический ток

План урока

  • Получение переменного тока
  • Трансформаторы

Цели урока

  • Знать: определение силы тока; понятие переменного тока; закон электромагнитной индукции Фарадея; как изменяется величина индукционного тока при вращении рамки в магнитном поле; назначение трансформаторов
  • Уметь: объяснять, как вырабатывается переменный электрический ток на электростанциях; описывать устройство и принцип работы трансформатора

Разминка

  • Что такое сила тока?
  • В чем заключается явление электромагнитной индукции?
  • Как получить переменный электрический ток?

Получение переменного тока

 

Вспомним, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Если заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени, не изменяется с течением времени, сила тока в цепи является величиной постоянной I = const.
 

В данной главе мы начинаем изучение токов, изменяющихся с течением времени, поэтому для определения величины силы тока необходимо рассматривать достаточно малый промежуток времени, такой, что силу тока на рассматриваемом промежутке времени можно считать постоянной.
 

В связи с этим необходимо ввести новое определение силы тока.


Сила тока в момент времени t – это физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за достаточно малый промежуток времени Δt, начинающийся сразу после момента времени t, к длительности этого промежутка времени.


Электрический ток в бытовых электросетях изменяется с течением времени, то есть является переменным. Обычно значение силы тока изменяется по гармоническому закону.


Если сила тока в цепи изменяется по гармоническому закону, такой ток называется переменным .


Для того чтобы понять, как получают переменный электрический ток, необходимо вспомнить, в чем заключается явление электромагнитной индукции. При любом изменении числа магнитных линий, пронизывающих площадь замкнутого контура, в цепи возникает индукционный ток. Чем быстрее происходит изменение магнитного поля в области пространства, ограниченной замкнутым проводником, тем больше величина индукционного тока.


Закон электромагнитной индукции Фарадея : сила индукционного тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна быстроте изменения числа магнитных линий, пронизывающих площадь, ограниченную этой цепью.


Рис. 1. Вращение рамки в поле постоянного магнита Рис. 1. Вращение рамки в поле постоянного магнита

Пусть в поле постоянного магнита находится проволочная рамка (рис. 1). В начальный момент времени линии магнитной индукции входят в площадь, ограниченную рамкой, под углом 90° – количество магнитных линий, пронизывающих площадь рамки, максимально. При равномерном вращении рамки количество магнитных линий, пронизывающих площадь рамки, начнет уменьшаться.

Если бы проводник был замкнут, в цепи бы возник индукционный ток. В тот момент, когда рамка расположится вдоль линий магнитной индукции, число линий, пронизывающих рамку, окажется равным нулю.
 

Продолжим вращение рамки в первоначальном направлении, количество магнитных линий будет расти, при этом линии магнитной индукции будут пронизывать рамку с противоположной стороны. В некоторый момент времени количество линий, пронизывающих площадь рамки, вновь будет максимально. При дальнейшем вращении рамки, количество магнитных линий сначала будет уменьшаться вплоть до нуля, а затем увеличиваться до максимального значения. К этому моменту рамка повернется на 360° и окажется в первоначальном положении.


При равномерном вращении рамки число линий магнитной индукции, пронизывающих ее площадь, изменяется с течением времени по гармоническому закону с периодом, равным периоду вращения рамки.

Быстрота изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь рамки, изменяется по гармоническому закону с тем же периодом.


Рис. 2. Сила индукционного тока во вращающейся рамке изменяется по гармоническому закону Рис. 2. Сила индукционного тока во вращающейся рамке изменяется по гармоническому закону

Если бы в рассматриваемом примере рамка была замкнутой, в ней возникал бы индукционный ток, сила тока которого, согласно закону электромагнитной индукции, также изменялась бы по гармоническому закону (рис. 2).
 

Экспериментально установлено, что между разомкнутыми концами равномерно вращающейся в однородном магнитном поле рамки возникает переменное напряжение, изменяющееся по гармоническому закону. Если подключить к концам этой рамки любой электроприбор, получается замкнутая электрическая цепь, в которой течет переменный электрический ток. В данном случае вращающаяся в магнитном поле рамка выполняет роль источника переменного тока.


Проволочная рамка, равномерно вращающаяся в постоянном магнитном поле, может служить источником переменного тока.


Рис. 3. Получение переменного тока при вращении постоянного магнита в рамке Рис. 3. Получение переменного тока при вращении постоянного магнита в рамке

Точно такого же результата можно достигнуть, если равномерно вращать магнит вокруг (или внутри) неподвижной рамки (рис. 3).
 

Именно на равномерном вращении источника магнитного поля в рамке основан принцип действия индукционного генератора электрического тока, вырабатывающего электричество на электростанциях.

На рисунке 4 изображено устройство такого генератора.

Рис. 4. Конструкция индукционного генератора Рис. 4. Конструкция индукционного генератора

 

Индукционный генератор состоит из корпуса (статора) 1 – это неподвижная часть генератора, в которой находится рамка 2. При вращении мощного электромагнита 3 в рамке индуцируется электрический ток. Цифрой 4 обозначены скользящие контакты электромагнита, необходимые для предотвращения закручивания проводов при вращении конструкции.

Частота переменного электрического тока в России равна 50 Гц. Следовательно, ток, протекающий в любом электроприборе в вашей квартире, за секунду 100 раз меняет свое направление.

 

Трансформаторы

 

Передача электроэнергии на расстояния всегда сопровождается некоторыми потерями энергии, обусловленными выделением тепла в проводниках при протекании в них электрического тока. При этом, чем больше амплитуда колебаний напряжения, тем меньше потери энергии на линиях электропередач. В связи с этим относительно небольшое напряжение ∼10 кВ, вырабатываемое генераторами на электростанциях, увеличивают с помощью трансформаторов до нескольких сотен киловольт и лишь затем подают на высоковольтные линии передачи электроэнергии (рис. 141).

Рис. 5. Схема передачи электроэнергии от электростанции к конечному потребителю Рис. 5. Схема передачи электроэнергии от электростанции к конечному потребителю

Схема простейшего трансформатора представлена на рисунке 5.

 

Трансформатор представляет собой сердечник квадратной формы, на котором находятся две обмотки с разным количеством витков. Сердечник состоит из плотно прижатых, изолированных друг от друга пластин, изготовленных из магнитно-мягкого материала.

Рис. 6. Устройство трансформатора Рис. 6. Устройство трансформатора

К концам первой обмотки с количеством витков N1 приложено переменное напряжение с амплитудой U1, по ней течет переменный электрический ток. Вокруг первой обмотки образуется переменное магнитное поле, благодаря чему во второй обмотке возникает переменный индукционный ток, амплитуда напряжения которого равна U2. Экспериментально установлено, что отношение амплитуд напряжений равно отношению витков в обмотках:

U2U1=N2N1.

 

Если трансформатор повышающий, то N2N1>1; если понижающий - N2N1<1. Таким образом, на рисунке 6 представлена схема понижающего трансформатора.


Именно благодаря тому, что амплитуду напряжения можно достаточно легко изменить, переменный электрический ток, по сравнению с постоянным током, получил наибольшее распространение.

 

Итоги

 

  • Сила тока в момент времени t – это физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за достаточно малый промежуток времени Δt, начинающийся сразу после момента времени t, к длительности этого промежутка времени;
  • Если сила тока в цепи изменяется по гармоническому закону, такой ток называется переменным ;
  • Для увеличения или уменьшения амплитуды колебаний напряжения используются трансформаторы .


Контрольные вопросы

 

1. Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея.
2. Как на электростанциях получают переменный электрический ток?
3. Используя рисунок 6 опишите принцип работы трансформатора.


Предыдущий урок
Статика. Равновесие тела. Момент силы. Условия равновесия твёрдого тела. Применение условий равновесия при решении задач статики
Статика
Следующий урок
Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Электромагнитные волны
Электромагнитные колебания и волны
  • Решение задач с помощью систем уравнений второй степени

    Алгебра

  • Вероятность равновозможных событий

    Алгебра

  • Обобщение и систематизация основных понятий темы «Моделирование и формализация»

    Информатика

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке