Do czego służy transformator?, Publikacje z Fizyka

Pobierz Do czego służy transformator? i więcej Publikacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity!

Do czego służy transformator?

Wprowadzenie Przeczytaj Film (standardowy) Sprawdź się Dla nauczyciela

Czy to nie ciekawe?

Czy wiesz, że codziennie i to niejednokrotnie masz do czynienia z transformatorami? Warto to sobie uświadomić i dowiedzieć się, czym jest transformator i jakie są jego zastosowania.

Być może już wiesz, że transformator to urządzenie, które obniża albo podwyższa napięcie elektryczne. Jeśli przyjrzysz się dokładnie ładowarce swojego telefonu, przeczytasz napis: ,. Oznacza to, że możesz podłączyć ładowarkę do gniazdka sieci energetycznej (i to jest napięcie wejściowe ), a uzyskujesz napięcie (wyjściowe) znacznie mniejsze, równe , bo takie jest potrzebne do ładowania akumulatora telefonu.

Na pewno znasz widok przesyłowych linii energetycznych, tzw. linii wysokiego napięcia. Na wyjściu z elektrowni transformatory podwyższają napięcie na przykład do. Tak wysokie napięcie jest konieczne w celu zapewnienia jak najmniejszych strat energetycznych występujących podczas przepływu prądu na duże odległości. Następnie, gdy energia zostanie już dostarczona do miasta, napięcie jest obniżane do takiego, którego używasz w domu ( ). Bez transformatorów przesyłanie energii elektrycznej np. do domów byłoby niemożliwe, a używanie napięcia w urządzeniach domowych - bardzo niebezpieczne.

Twoje cele

W tym e‐materiale:

dowiesz się, jak jest zbudowany i jak działa transformator, poznasz główne zastosowania transformatora, zrozumiesz, dlaczego przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości wymaga podwyższenia napięcia w linii przesyłowej, zastosujesz zdobytą wiedzę w celu obliczenia wartości przekładni transformatora, który ma zmienić napięcie i natężenie prądu.

Uwe = 230 V Uwy = 5 V 230 V 5 V

110000 V

230 V

110 kV

0700 Do czego służy transformator?

gdzie lub oznacza napięcie pierwotne (wejściowe), a lub oznacza napięcie wtórne (wyjściowe), – liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym, – liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym.

Stosunek liczby zwojów na uzwojeniach, , nazywamy przekładnią transformatora.

Wynika stąd, że jeśli chcemy obniżyć wartość napięcia, to liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym musi być mniejsza niż w uzwojeniu pierwotnym. Ile razy mniejsza? Tyle, ile razy ma być mniejsze napięcie wyjściowe. Zatem w naszym przykładzie dotyczącym ładowarki telefonu komórkowego ok. 46 razy,

.

Podczas transformowania (zmieniania) napięcia zmienia się jednocześnie natężenie prądu, dlatego że w idealnym transformatorze (taki model tutaj przyjęliśmy) nie ma strat energetycznych i moc dostarczana do uzwojenia pierwotnego (z jakiegoś źródła) musi być równa mocy przekazanej do uzwojenia wtórnego,

.

Ponieważ moc prądu jest wyrażona poprzez iloczyn napięcia i natężenia prądu, oznacza to, że

,

skąd

.

Widzimy więc, że zwiększając napięcie w uzwojeniu pierwotnym k-krotnie, również k- krotnie zmniejszymy natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym. Ma to znaczenie przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości: straty energii w przewodach są wprost proporcjonalne do kwadratu wartości natężenia prądu. I dlatego w liniach przesyłowych panuje bardzo wysokie napięcie.

Ale czasem opłaca się działanie odwrotne: zmniejszenie napięcia skutkuje bowiem wzrostem natężenia prądu w obwodzie wtórnym. Ta możliwość zwiększania natężenia prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora jest wykorzystana w takich urządzeniach jak np. piec hutniczy, spawarka, lutownica czy zgrzewarka punktowa.

Słowniczek

transformator (ang. transformer)

urządzenie elektryczne podwyższające lub obniżające napięcie przemienne.

U 1 Uwe U 2 Uwy n 1 n 2

k = n n^21

n 2 n 1 =^

U 2 U 1 =^ 5 V 230 V =^ 1 46

P 1 = P 2

U 1 I 1 = U 2 I 2

I 2 I 1 =^

U 1 U 2 =^

n 1 n 2

zjawisko indukcji elektromagnetycznej (ang.: electromagnec inducon)

wytwarzanie prądu indukcyjnego w obwodzie zamkniętym podczas zmiany strumienia pola magnetycznego przez ten obwód.

natężenie prądu (ang. current)

wielkość skalarna zdefiniowana jako stosunek wielkości ładunku elektrycznego przepływającego przez przekrój przewodnika do czasu, w którym ten ładunek przepłynął, oznaczamy je literą. Jednostką natężenia jest amper,.

napięcie elektryczne (ang. voltage)

wielkość skalarna odnoszona do dowolnych dwóch punktów obwodu elektrycznego lub do pola elektrycznego; równa stosunkowi pracy , wykonywanej przez siły pola elektrycznego przy przemieszczaniu ładunku elektrycznego wzdłuż pewnej krzywej (między 2 wybranymi punktami pola, np. A i B), do wartości tego ładunku:. Oznacza się je literą , a jego jednostka to wolt,.

prąd przemienny (ang. alternate current)

prąd wywołany napięciem przemiennym, np. napięciem sinusoidalnie zmiennym: .

moc elektryczna (ang. electric power)

energia elektryczna przypadająca na jednostkę czasu; tutaj: moc przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Oznaczenie nie różni się od stosowanego w mechanice. Jednostką jest oczywiście wat,.

I A

W

q s

UAB = W /q

U V

U(t) = U 0 ⋅ sin(ωt)

P

W

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸 醙 難

Ćwiczenie 1

Dokończ zdanie.

Transformator działa wykorzystując zjawisko o nazwie.

Ćwiczenie 2

Wybierz właściwe dokończenia zdania.

Obwody pierwotny i wtórny w transformatorze są połączone galwanicznie / odseparowane od siebie elektrycznie.

Ćwiczenie 3 Do uzwojenia pierwotnego transformatora o liczbie zwojów = 100 podłączono ogniwo o stałym napięciu. Woltomierz w obwodzie wtórnym na cewce o 1500 zwojach pokaże:

n 1 9 V

135 V

0 V

0,6 V

Ćwiczenie 4

Wybierz poprawną odpowiedź.

Jak ma się częstotliwość zmian napięcia przemiennego wyjściowego do częstotliwości zmian napięcia wyjściowego w transformatorze? {jest wyższa} / {jest niższa} / {# jest taka sama} / {zwrot nierówności zależny od przekładni transformatora}.

Ćwiczenie 5

Jeśli moc przekazywana do uzwojenia pierwotnego rzeczywistego (nieidealnego) transformatora wynosi , to moc wydzielona w obwodzie wtórnym jest:

mniejsza niż

równa

mniejsza, gdy , równa, gdy i większa gdy

większa niż

10 W

10 W

10 W

n 2 n 1 < 1^

n 2 n 1 = 1^

n 2 n 1 > 1

10 W

Ćwiczenie 6 Dane są dwa transformatory o przekładniach i. Połączono je ze sobą tak, że uzwojenie pierwotne drugiego transformatora jest połączone elektrycznie za pomocą przewodów z uzwojeniem wtórnym pierwszego transformatora. Przekładnia zastępcza takiego układu transformatorów równa jest:

k 1 k 2

k 2 k 1

k 1 ⋅ k 2

k 1 k 2

Ćwiczenie 7

W uzwojeniu pierwotnym transformatora o 1500 zwojach płynie prąd o natężeniu. Chcemy zwiększyć natężenie prądu do. W uzwojeniu wtórnym powinniśmy zastosować zwojów.

0,5 A

15 A

Dla nauczyciela

Imię i nazwisko autora: Nina Tomaszewska

Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Do czego służy transformator

Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia - wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres podstawowy Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

3. prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik; 4)przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; VIII. Magnetyzm. Uczeń:
4. opisuje zasadę działania transformatora oraz podaje przykłady jego zastosowania; Zakres rozszerzony Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
5. prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik;
6. przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; IX. Magnetyzm. Uczeń:
7. opisuje zasadę działania transformatora; przedstawia uproszczony model transformatora, w którym przekładnia napięciowa i przekładnia prądowa zależą tylko od liczb zwojów; opisuje zastosowania transformatorów.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. omawia sposób działania transformatora.
2. podaje różnorodne zastosowania transformatora.
3. objaśnia, dlaczego przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości wymaga podwyższenia napięcia w linii przesyłowej, a z kolei działanie lutownicy wymaga obniżenia napięcia w obwodzie wtórnym transformatora.
4. stosuje zdobytą wiedzę do obliczenia np. liczby zwojów uzwojenia wtórnego w ładowarce telefonu komórkowego.

Strategie nauczania: blended‐learning

Metody nauczania: wykład informacyjny wspomagany pokazem multimedialnym

Formy zajęć: Praca w zespole klasowym

Środki dydaktyczne:

e‐materiał + komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia

Materiały pomocnicze: nie

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel zaciekawia uczniów transformatorami, ich obecnością wokół nas. Dobrze było by, żeby sami uczniowie podzielili się swoją wiedzą na temat zastosowań transformatorów.

Faza realizacyjna: