Трансформаторы. Передача электрической энергии
Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная (рис. 2.5.1).
Простейший трансформатор и его условное изображение в схемах. n1 и n2 – числа витков в обмотках
Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e1 (t), поэтому в ней возникает ток J1 (t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеивания циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток. В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.
Ситуация резко изменяется, когда в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки Rн, и в ней возникает переменный ток J2 (t). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ2, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J2, направлен навстречу потоку Φ1, создаваемому током J1 в первичной обмотке: Φ = Φ1 – Φ2. Отсюда следует, что токи J1 и J2 изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.
Другой важный вывод состоит в том, что ток J1 в первичной обмотке в режиме нагрузки значительно больше тока холостого хода. Это следует из того, что полный магнитный поток Φ в сердечнике в режиме нагрузки должен быть таким же, как и в режиме холостого хода, так как напряжение u1 на первичной обмотке в обоих случаях одно и то же. Это напряжение равно ЭДС источника e1 переменного тока. Так как магнитные потоки, пронизывающие обмотки, пропорциональны числу n1 и n2 витков в них, можно записать для первичной обмотки:
для вторичной обмотки:
Знак минус означает, что напряжения u1 и u2 находятся в противофазе, также как и токи J1 и J2 в обмотках. Поэтому фазовый сдвиг φ1 между напряжением u1 и током J1 в первичной обмотке равен фазовому сдвигу φ2 между напряжением u2 и током J2 во вторичной обмотке. Если нагрузкой вторичной обмотки является активное сопротивление Rн, то φ1 = φ2 = 0.
Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:
Коэффициент K = n2 / n1 есть коэффициент трансформации. При K > 1 трансформатор называется повышающим, при K Опубликовано в разделах: Электромагнитные колебания и волны
Источник
Электромагнитные колебания переменный ток трансформаторы
Раздел ОГЭ по физике: 3.14. Переменный электрический ток. Электромагнитные колебания и волны. Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные колебания
☑ Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряжённости E и индукции B. Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.
Обратие внимание! Существует близкий термин — электрические колебания. Это периодические ограниченные изменения величин заряда, тока или напряжения. Переменный электрический ток является одним из видов электрических колебаний.
Максвеллом было теоретически показано, а Герцем экспериментально доказано, что изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, в свою очередь переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т.е. в пространстве происходят изменения (колебания) характеристик электромагнитного поля.
Электромагнитные колебания происходят в колебательной системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.
Если зарядить конденсатор и затем замкнуть его на катушку, то по цепи пойдёт электрический ток. При этом конденсатор начнёт разряжаться. Сначала сила тока в цепи будет увеличиваться, и появится ток самоиндукции, препятствующий увеличению основного тока и направленный против него. Через 1/2 часть периода конденсатор полностью разрядится, а сила тока в катушке станет максимальной. Затем сила тока начнет уменьшаться. Ток самоиндукции, который при этом возникнет, будет стремиться поддержать основной ток и будет направлен так же, как и он. Через 1/4 часть периода ток прекратится, и конденсатор перезарядится. Затем пойдет обратный процесс.
Таким образом, в колебательном контуре происходят электромагнитные колебания, т.е. периодические изменения заряда, силы тока, электрического и магнитного полей. Колебания, происходящие в колебательном контуре, благодаря начальному запасу энергии в конденсаторе называются свободными. В процессе колебаний энергия извне в контур не поступает.
Минимальный промежуток времени, через который процесс в колебательном контуре полностью повторяется, называется периодом (Т) электромагнитных колебаний. За период колебаний заряд на обкладках конденсатора изменяется от максимального значения до следующего максимального значения того же знака, или сила тока изменяется от максимального значения до следующего максимального значения при том же направлении тока.
Характеризуя электромагнитные колебания, часто говорят об их частоте. Частотой (v) колебаний называют число полных колебаний в одну секунду. Частота обратна периоду колебаний. Единицей частоты является 1 Гц. Частоту электромагнитных колебаний часто измеряют в килогерцах (1 кГц = = 1000 Гц) и в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц).
Электромагнитные волны
Подобно тому как механические колебания распространяются в пространстве в виде механических волн, электромагнитные колебания распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. Многочисленные эксперименты показывают, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Если в какой-либо точке пространства возникает переменное электрическое поле, то в соседних точках оно возбуждает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает переменное электрическое поле и т.д. Таким образом, можно говорить об электромагнитном поле. Это поле и распространяется в пространстве.
☑ Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля представляет собой электромагнитные волны.
Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Они характеризуются определённой длиной волны λ. Длина волны — это расстояние, на которое перемещается электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний (Т). λ = сТ или λ = c/v, где с — скорость распространения электромагнитной волны, v — частота колебаний.
Электрически заряженные частицы могут колебаться с различной частотой. Соответственно, излучаемые при этом электромагнитные волны имеют разную длину волны. Поэтому диапазон частот электромагнитных волн очень широк: он лежит в пределах от 0 до 10 22 Гц, а длина волны — в пределах от 10 –14 м до бесконечности. По длине волны или по частоте электромагнитные волны можно разделить на восемь диапазонов. Обладая рядом общих свойств (интерференция, дифракция), волны разной частоты имеют и специфические свойства.
Переменный электрический ток
Любой ток, изменяющийся по времени, называют переменным. Чаще всего под переменным электрическим током понимают ток, изменяющийся по гармоническому закону.
Переменный электрический ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.
Автор: Донор — собственная работа. Это векторное изображение содержит элементы, заимствованные из другого изображения: Types of current.svg., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52957447
Хотя переменный ток часто переводят на английский как alternating current, эти термины не являются эквивалентными. Термин alternating current (AC) в узком смысле означает синусоидальный ток, в широком смысле — периодический знакопеременный ток (то есть периодический двунаправленный ток). Условное обозначение на электроприборах: ≈ (знак синусоиды), или латинскими буквами AC.
Переменное напряжение, необходимое для возникновения переменного тока, получается с помощью генератора переменного тока. В простейшей модели генератора переменное напряжение возбуждается в замкнутой рамке сопротивлением R, которая равномерно вращается в однородном магнитном поле.
В этом случае сила переменного тока, текущего в рамке, определяется в соответствии с законом Ома: 
Колебания напряжения на активном сопротивлении рамок совпадают по фазе с колебаниями силы тока.
Для характеристики действия переменного тока вводятся понятия действующей силы тока I и действующего напряжения U.
Действующей силой переменного тока I называют силу такого постоянного тока, который в том же проводнике и за то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.
Действующим напряжением переменного тока U называют напряжение такого постоянного тока, который в том же проводнике и за то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.
Действующие значения силы тока I и напряжения U определяются формулами: 
где I, U — действующие значения тока и напряжения;
Im , Um — амплитудные значения тока и напряжения.
Амперметры и вольтметры, включенные в электрическую цепь переменного тока, измеряют действующие значения силы тока и напряжения.
Конспект урока «Электромагнитные колебания и волны».
Источник
Краткий конспект подготовки к ЗНО по физике №31 «Электромагнитные колебания (ЭМК). Трансформатор.»
Конспект 31. Электромагнитные колебания (ЭМК). Трансформатор.
Тема: Электромагнитные колебания и волны
1. Электромагнитные колебания. Колебательный контур
Определение. Электромагнитные колебания (ЭМК):
1) Процесс периодического изменения и взаимопревращения энергий электрического и магнитного полей;
2) Взаимосвязанные колебания вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля;
3) Периодические изменения напряжения и силы тока в электрической цепи.
Замечание. Наиболее наглядно процесс ЭМК демонстрируется на принципе работы колебательного контура.
Определение. Идеальный колебательный контур – цепь без учета активного сопротивления проводов, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора, в которой могут возникнуть свободные ЭМК.
Определение. Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре – это колебания, которые возникают и поддерживаются за счет энергии, которая однократно подается в колебательный контур.
Замечания:
1) Явление самоиндукции в катушке – причина поддержания процесса ЭМК;
2) Во время ЭМК периодически изменяются все электропараметры, которые характеризуют электромагнитное поле в контуре: u,q,i – мгновенные значения напряжения и заряда на конденсаторе и тока на катушке соответственно;
3) Начало свободных ЭМК обычно связано с зарядкой конденсатора, который замыкается на катушку;
4) ЭМК подчиняются тем же гармоническим законам, что и рассмотренные ранее механические колебания.
– формула Томсона (период колебаний в колебательном контуре), с
Превращения энергии в колебательном контуре:
1) t=0: на конденсаторе и ; на катушке и i=0;
2) : на конденсаторе и u=0; на катушке и ;
3) : на конденсаторе и ; на катушке и i=0; полярность зарядки конденсатора обратная;
4) : на конденсаторе и u=0; на катушке и ; направление тока обратное;
5) t=T: на конденсаторе и ; на катушке и i=0.
– закон сохранения полной энергии идеального колебательного контура
– закон сохранения энергии идеального колебательного контура между ее максимальными значениями
Где – максимальное напряжение на конденсаторе, В
– максимальная сила тока в катушке, А
– закон гармонических колебаний напряжения на пластинах конденсатора
– закон гармонических колебаний заряда на пластинах конденсатора
– закон гармонических колебаний силы тока на катушке
Определение. Вынужденные ЭМК – периодические изменения напряжения и силы тока в цепи под действием внешней периодически изменяющейся электродвижущей силы.
Замечание. Как правило, внешними источниками ЭДС в электрических цепях являются генераторы переменного тока.
Определение. Генератор переменного тока – электрическая машина, которая является источником тока с принципом действия, основанным на явлении электромагнитной индукции. В нем происходит преобразование механической энергии в электрическую. В простейшем случае генератор представлен замкнутой катушкой, которая вращается в постоянном магнитном поле (подробнее смотри в конспекте № 28).
Определение. Электрический резонанс – явление резкого увеличения амплитуды колебаний силы тока, при совпадении собственной частоты колебаний контура с частотой внешней периодически изменяющейся ЭДС.
Примеры применения электрического резонанса: настройка радиоприемника на определенную частоту электромагнитной волны, микротоковая медицинская терапия и пр.
Замечание. Средние значения переменного тока называются действующими.
– действующее значение силы переменного тока, А
– действующее значение напряжения переменного тока, В
2. Трансформатор
Определение. Трансформатор – электромагнитное устройство для преобразования значений напряжения и силы тока в цепях переменного тока, обычно представляет собой две катушки (обмотки) одетые на один общий сердечник. Принцип работы основан на явлении электромагнитной индукции.
Замечание. Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором сопротивлением обмоток можно пренебречь.
– закон трансформации в идеальном трансформаторе
Где k –коэффициент трансформации, ед
– напряжения соответственно в первичной и вторичной обмотках, В
– силы тока соответственно в первичной и вторичной обмотках, А
– количество витков соответственно в первичной и вторичной обмотках, ед
Виды трансформаторов:
1) Понижающий: , ;
2) Повышающий: , 1.
– закон трансформации в реальном трансформаторе
Где – ЭДС соответственно в первичной и вторичной обмотках, В
– КПД реального трансформатора, ед или %
Замечание. КПД идеального трансформатора равно 100 % (или 1).
Основные потери энергии в реальном трансформаторе:
1) Нагрев обмоток;
2) Токи Фуко, которые возникают вследствие явления электромагнитной индукции в сердечниках, усиливающих магнитное поле. Для борьбы с ними используют специальные слоистые сердечники;
3) Трение перемагничивающихся пластин слоистого сердечника, что проявляется в виде гудения трансформатора.
Источник
Физика. 11 класс
Конспект урока
Физика, 11 класс
Урок 8. Переменный электрический ток
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) Свойства переменного тока;
2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;
3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;
4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.
Глоссарий по теме
Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.
Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.
Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.
Величину ХC, обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.
Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.
Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.
Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004
Основное содержание урока
Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.
Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.
В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.
Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.
Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.
Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.
Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.
Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.
При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.
? — мгновенное значение силы тока;
ℐm— амплитудное значение силы тока.
– колебания напряжения на концах цепи.
Колебания ЭДС индукции определяются формулами:
При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.
Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.
Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.
Um — амплитудное значение напряжения.
Действующие значения силы тока и напряжения:
Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.
Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.
Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.
Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.
Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.
Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.
Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.
При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.
Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно
Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:
Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.
В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.
Мощность цепи переменного тока
Величина cosφ – называется коэффициентом мощности
Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.
Разбор типовых тренировочных заданий
1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.
Дано: e=80 sin 25πt.
Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону
Согласно данным нашей задачи:
Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:
Подставляем числовые данные:
2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?
Напишем закон Ома для переменного тока:
Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать Im=Um/Z?
Полное сопротивление цепи равно:
Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:
то после вычислений получаем Im ≈0,09 Ом.
2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.
Источник