ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электромагнитное поле

УРОК 8/20

Тема. Переменный ток. Генератор переменного тока

Цель урока: сформировать у учащихся представление о переменный ток и способы его получения.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Получение переменного тока

На производстве и в быту гораздо чаще используют переменный ток, чем постоянный.

Ø Переменным током называют электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению.

Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явления электромагнитной индукции. Представим проводник в виде рамки площадью S, которая равномерно вращается с угловой скоростью ω в однородном магнитном поле (магнитная индукция перпендикулярна к оси вращения рамки). Магнитный поток через рамку Ф = ВScosα, где α - угол между вектором нормали к площади рамки и линиями магнитной индукции.

Если начать отсчет времени в момент, когда вектор направленный вдоль линий магнитной индукции, то начальное значение угла α равен нулю, а зависимость угла от времени имеет вид: α = ωt, поэтому Ф = BScosωt.

Изменение магнитного потока приводит к возникновению в рамке ЭДС индукции . Согласно закону электромагнитной индукции Скорость изменения магнитного потока ΔФ/Δt с точки зрения математики является производной функции Ф(t), поэтому

Таким образом, рассматриваемая рамка является источником ЭДС, выполняет гармонические колебания с амплитудой Если рамка состоит из N витков, то амплитуда ЭДС увеличивается в N раз:

Чтобы воспользоваться полученной ЭДС, можно прикрепить подвижные концы рамки до неподвижных контактов внешнего электрического круга. Можно, например, обеспечить, чтобы металлическое кольцо от каждого из концов рамки скользило по своему упругому контакту (щетке). Тогда щетки можно рассматривать, как полюсы источников тока.

Если присоединить к этим полюсам резистор сопротивлением R, напряжение на резисторе будет совпадать с ЭДС в рамке: а сила тока в резисторе будет:

Амплитуда силы тока в этом выражении Период переменного тока, а его частота

2. Генератор переменного тока

Сейчас существует много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (обычно это вращающаяся рамка).

Поскольку ЭДС, приводят в последовательно соединенных витках, добавляются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток.

Принцип действия генератора переменного тока такой. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньше для увеличения потока магнитной индукции.

Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазы статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или уводить его из обмотки ротора в внешний круг приходится с помощью скользящих контактов. Для этого ротор обеспечивают контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.

Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и обеспечивают связь обмотки ротора с внешним кругом. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, что отдает генератор внешний круг. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток до вращающегося электромагнита.

В маломощных генераторах магнитное поле создает вращающийся постоянный магнит. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняют возникновением в них вихревого электрического поля, обусловленного изменением магнитного потока во время вращения ротора.

Современный генератор электрического тока - это большое сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. За размеров в несколько метров важнейшие детали генераторов изготавливаются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого соединения подвижных частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. В чем заключается закон электромагнитной индукции?

2. Какие преимущества имеет переменный электрический ток по сравнению с постоянным?

3. На каком принципе основана работа генератора переменного тока?

4. С какой целью в генераторе электрического тока используют скользящие контакты (так называемые щетки)?

Второй уровень

1. Почему основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле?

2. Почему в реальном генераторе вместо рамки используют катушку с большим количеством витков?

3. Почему за равномерного вращения рамки в постоянном магнитном поле в ней индуцируется не постоянный, а переменный ток?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Назовите основные типы электростанций. Приведите примеры электростанций различных типов.

2. Почему стандартная частота переменного тока во всех странах меньше 100 Гц?

3. Почему не применяют для освещения переменный ток с частотой 10 Гц?

4. Какое главное преимущество переменного тока перед постоянным?

2). Учимся решать задачи

1. Прямоугольная рамка со сторонами 5 и 8 см вращается вокруг вертикальной оси с периодом 0,02 с в однородном магнитном поле индукцией 0,2 Тл, напрямленою перпендикулярно к оси вращения. Найдите максимальную ЭДС, индуцированную в рамке, и зависимость ЭДС от времени. (Ответ: 0,63 В)

2. Найдите частоту вращения катушки с числом витков N = 20 в однородном магнитном поле индукцией 0,5 Тл, если максимальная ЭДС в катушке 7,85 В, а площадь сечения одного витка 25 см2. (Ответ: 50 Гц)

3. Рамка площадью 80 см2 равномерно вращается с угловой скоростью 20 1/с в магнитном поле индукцией 20 мТл. Амплитудное значение ЭДС в рамке равна 0,64 В. Сколько витков в рамке?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Переменным током называют электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению.

· Генератор переменного тока является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока.

Домашнее задание

1. Подр.: § 18.

2. 3б.:

Рів1 № 9.2; 9.11; 9.12; 9.13.

Рів2 № 9.24; 9.25; 9.26, 9.27.

Рів3 № 9.31, 9.32; 9.33; 9.34.