Виробництво, передача та використання енергії електричного струму.
Електромагнітне поле
УРОК 9/21
Тема. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму
Мета уроку: ознайомити учнів з одним із основних напрямів науково-технічного прогресу – розвитком енергетики.
Тип уроку: вивчення нового матеріалу.
1. Як визначається енергія магнітного поля?
2. Отримання змінного струму.
3. Генератор змінного струму
Будова та принцип дії трансформатора
Вивчення нового матеріалу
1. Основні етапи виробництва, передачі та споживання електроенергії.
2. Виробництво електроенергії.
3. Передача електроенергії.
Закріплення вивченого матеріалу
1. Якісні питання.
2. Вчимося вирішувати завдання
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1) Механічну енергію перетворять на електричну за допомогою генераторів на електростанціях;
2) електричну напругу підвищують передачі електроенергії великі відстані;
3) електроенергію передають під високою напругою високовольтних лініях електропередач;
4) під час розподілу електроенергії споживачам електричну напругу знижують;
5) під час споживання електроенергії її перетворюють на інші види енергії - механічну, світлову чи внутрішню.
Електроенергію виробляють переважно на електростанціях трьох типів:
1) теплових електростанціях (понад 50 %);
2) гідроелектростанціях (20-25%);
3) атомні електростанції (15 %).
Ø На електростанціях механічну енергію перетворюють на електричну за допомогою індукційних генераторів, в яких використовують явище електромагнітної індукції.
Механічною енергією на гідроелектростанціях єкінетична енергія води, що падає. Механічну енергію одержують із внутрішньої енергії за допомогою теплових двигунів (зазвичай парових турбін). На теплових електростанціях внутрішня енергія виділяється при спалюванні нафти, вугілля чи газу, але в атомних - внаслідок розподілу атомних ядер радіоактивних речовин (переважно урану).
На електростанціях електрична енергія виробляється під напругою десятки тисяч вольт. Потім зменшення втрат під час передачі великі відстані напруга підвищують у десятки разів - до сотень тисяч вольт. Розподіляючи електроенергію за споживачами, напругу заради безпеки знижують у тисячі разів (до 220 В у житлових приміщеннях). Для підвищення та зниження напруги використовують трансформатори, дія яких ґрунтується на явищі електромагнітної індукції.
Ø Головна причина втрат під час передачі енергії - це нагрівання проводів, тобто перетворення електричної енергії на внутрішню: через те, що опір проводів не дорівнює нулю, що йде вздовж проводів, енергія електричних та магнітних полів частково «втікає» у проводи, викликаючи їхнє нагрівання.
Як зменшити ці втрати?
Закон Джоуля-Ленца стверджує, що у провіднику при проходженні струму виділяється кількість теплоти Q прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника R і часу проходження струму t : Q = I 2 Rt . Тому для того, щоб зменшити нагрів проводів даного опору, треба зменшити силу струму у проводах.
Однак для збереження тієї ж потужності, що передається, зменшення сили струму в кілька разів повинно супроводжуватися збільшенням напруги в таку ж кількість разів, тому що потужність, що передається споживачеві, дорівнює добутку UI , де U - напруга, під якою передана електроенергія. У високовольтнихлініях електропередач напруга становить сотні тисяч вольт – у тисячі разів більше, ніж у проводах, що розміщено всередині квартир (серединно-квартирна проводка зазвичай має напругу 220 В).
Хоча висока напруга і має описані вище великі переваги, але вона має і величезний недолік: вона небезпечна для життя. Тому, перш ніж передати її споживачеві, напругу у кілька етапів знижують у тисячі разів – до сотень вольт.
Однак і після цього зниження напруги в домашній проводці, що дорівнює зазвичай 220 В, все-таки небезпечно: ураження електричним струмом може викликати навіть напругу в 30 В. Струм усередині тіла людини йде переважно нервовими мережами, порушуючи їхню роботу, а також керовану ними роботу серця та дихання. Струм силою 0,025 А викликає нетривалий параліч (це приблизно струм у настільній лампі), а струм силою 0,1 А є смертельним.
Електричний струм ніколи не отримав такого широкого застосування, якби його не можна було перетворити майже без втрат енергії. Перетворення змінного струму, у якому напруга збільшується чи зменшується у кілька разів майже втрати потужності, здійснюється з допомогою трансформаторів.
Ø Трансформатор - пристрій, що застосовується підвищення або зниження напруги змінного струму.
Найпростіший трансформатор є дві котушки, намотані на загальний сталевий сердечник. Одна котушка підключається до джерела змінної напруги (ця котушка називається первинною обмоткою), а з іншого котушки (вторинної обмотки) знімають змінну напругу для її подальшої передачі.
Змінний струм у первинній обмотці створює змінне магнітне поле. Завдяки сталевому сердечнику вторинну обмотку, намотану на той же сердечник, пронизує практичнотаке ж змінне магнітне поле, як і первинну.
Оскільки всі витки пронизує той самий змінний магнітний потік у кожному витку внаслідок явища електромагнітної індукції генерується і напруга. Тому відношення напруг U 1 і U 2 на первинній та вторинній обмотках дорівнює відношенню кількості в них витків:
Зміна напруги трансформатором характеризує коефіцієнт трансформації.
Ø Коефіцієнт трансформації - величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній та вторинній обмотках трансформатора:
Підвищує трансформатор - трансформатор, збільшує напругу (U 2 U 1 ). У підвищує трансформатора число витків N 2 у вторинній обмотці має бути більше числа витків N 1 у первинній обмотці, тобто. k 1.
Знижувальний трансформатор - трансформатор, що зменшує напругу (U2U1). У понижуючого трансформатора число витків у вторинній обмотці має бути меншою за кількість витків у первинній обмотці, тобто k > 1 .
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
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 ґрунтується робота трансформатора?
1. Які властивості електричної енергії визначають її значення у сучасній техніці?
2. Яка енергія перетворюється на електричну?
3. Чи можна трансформувати постійний струм?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. У якій із обмоток понижуючого трансформатора (первинної чи вторинної) діаметр дротів має бути більшим? Відповідь поясніть.
2. Для чогосердечник трансформатора набирають із тонких сталевих пластин, ізольованих один від одного?
2). Вчимося вирішувати завдання
1. У первинній обмотці 200 витків, а у вторинній – 25 витків. Чи підвищує чи знижує напругу цей трансформатор? Скільки разів?
2. Трансформатор підвищує напругу від 10 до 200 В. Скільки витків у вторинній обмотці трансформатора, якщо первинна обмотка містить 600 витків?
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОКУ
- Трансформатор - пристрій, застосовуване підвищення чи зниження напруги змінного струму.
- Коефіцієнт трансформації - величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній та вторинній обмотках трансформатора:
Рів1 № 9.9; 9.10; 9.22; 9.23.
Рів2 № 9.50; 9.51; 9.52, 9.53.
3. Д: вирішити вдома самостійну роботу №7.