Дата проведения урока: ___ июля 2022 г.
Преподаватель: М.Н. Косолапова
Темы урока: Переменный электрический ток, цепи переменного тока.
Тип урока – формирование новых знаний.
Цель урока: Ознакомиться с понятием переменный электрический ток, рассмотреть цепи переменного тока, сделать выводы по практическому применению.
Задачи:
- развивать у учащихся умение использовать полученные знания о переменном токе и цепях переменного тока в практическом применении;
- научиться находить полезное и необходимое в изучаемом материале;
- развивать внимательность и логическое мышление.
Продолжительность урока: 20 минут.
Оборудование урока: ноутбук, мультимедийный проектор, презентация PowerPoint.
Ход урока
Организационный момент – 1 мин.
Сообщение темы урока и разъяснение цели урока – 2 мин.
Изложение нового материала – 10 мин.
Учебные вопросы:
Переменный электрический ток.
Характеристики переменного тока.
Действующие значения напряжения и силы тока.
Цепи переменного тока.
Теоретический материал:
Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток. Во всех микрорайонах стоят будки с надписями «Трансформатор», в которых находятся трансформаторы, преобразующие переменный ток; вдоль дорог и по лесным просекам протянулись линии электропередачи опять же переменного тока. Миллионы и миллионы генераторов, трансформаторов, электродвигателей во всем мире производят, передают и используют электрическую энергию благодаря особенностям этого вида тока, обнаруженным без малого двести лет назад.
Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным. А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? С ответа на эти вопросы мы и начнем наш 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 вынужденные электромагнитные 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. Именно этот ток используется наиболее часто. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.
Как и в случае постоянного тока, сила переменного тока определяется напряжением на концах проводника.
Но фаза колебаний силы тока может не совпадать с фазой колебаний напряжения.
В таких случаях принято говорить, что существует сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения. В общем случае мгновенное значение напряжения и силы тока можно определить:
или
Когда говорят, что напряжение в городской электрической сети составляет 220 В, то о каком напряжении идет речь? О мгновенном значении напряжения? Или его амплитудном значении? Речь идет о так называемомдействующем значении.
Когда на электроприборах указывают силу тока, на которую они рассчитаны, то также имеют в виду действующее значение силы тока.
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.
Действующие значения силы тока и напряжения:
Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.
Давайте перейдем к рассмотрению электрических сетей переменного тока. Электрическая цепь переменного тока характеризуется тремя параметрами: активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью.
Они влияют на величину и начальную фазу переменного тока, возникающего в цепи при переменном напряжении.
Когда в электрическую цепь переменного тока подключается активное сопротивление R, то под воздействием разницы потенциалов источника в цепи начинает течь ток I. В тех случаях, когда изменение напряжения происходит по синусоидальному закону, который выражается, как u = Um sin ωt,
напряжение на резисторе отсюда
и следовательно
то изменение тока i также идет по синусоиде:i = Im sin ωt.
Так что получается, что изменение напряжения и тока происходят по одинаковым законам. При этом через нулевое значение они проходят одновременно и своих максимальных значений также достигают одновременно.Из этого следует, что когда в электрическую цепь переменного тока подключается активное сопротивление R, то напряжение и ток совпадают по фазе.
В элементах цепи, имеющих сопротивление, электрическая энергия преобразуется в тепло.
В элементах же цепи с индуктивностью и емкостью энергия в виде тепла не выделяется, а периодически накапливается в магнитном и электрических полях, а затем возвращается к источнику электроэнергии. Такие элементы цепи называют реактивными. Влияние этих элементов на величину переменного тока учитывается реактивными сопротивлениями.
Катушка индуктивности (соленоид) при отсутствии сопротивления R ее провода обладает только индуктивным сопротивлением. Для определения формулы индуктивного сопротивления найдем ЭДС самоиндукции такой катушки в цепи переменного тока, меняющегося по гармоническому синусоидальному законуI= Imsinωt.
ЭДС самоиндукции катушкиеi равна по величине и противоположна по направлению напряжению u на ее концах, взятому с обратным знаком:
еi = -Li' = -L ωIm cosωt.
Учитывая, что u = - еi, из данного равенства получим:
u =Umsin (ωt + π/2),
где Um = L ωIm — амплитуда напряжения.
Следовательно, колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока на π/2.
Вследствие этого в среднем за период не происходит ни накопления, ни диссипации энергии в катушке. Дважды за период энергия накачивается внутрь катушки (это энергия магнитного поля) и дважды возвращается обратно источнику.
Цепь переменного тока, содержащая емкость C, обладает сопротивлением переменному току; оно называетсяемкостнымсопротивлениемХC и относится к реактивному сопротивлению.
Рассмотрим цепь переменного тока, в которую включен конденсатор емкостью С:
К зажимам цепи подведено синусоидальное напряжение, мгновенное значение которого равно .
Под действием этого напряжения в замкнутой цепи возникает ток, мгновенное значение которого равно:.
Этот ток вызывает падение напряжения между пластинами конденсатора uc. В любой момент времени напряжение между пластинами конденсатора уравновешивает напряжение, приложенное к зажимам цепи, т.е.
Количество электрических зарядов на пластинах конденсатора в любой момент времени определяется по формуле (2.17)
,
Где- амплитудное значения тока
Сравнивая между собой выражения для силы тока и напряжения делаем вывод: в цепи переменного тока с конденсатором напряжение отстаёт от тока по фазе на 90°
.
Таким образом в цепи переменного тока с конденсатором происходит периодический обмен энергией между внешним источником и электрическим полем конденсатора.
Обобщение: В элементах цепи, имеющих активное сопротивление, электрическая энергия преобразуется в тепло. В элементах же цепи с индуктивностью и емкостью (реактивным сопротивлением) энергия в виде тепла не выделяется, а периодически накапливается в магнитном и электрических полях, а затем возвращается к источнику электроэнергии.
Когда в электрическую цепь переменного тока подключается активное сопротивление R, то напряжение и ток совпадают по фазе, в цепях же цепи с индуктивностью и емкостьюнапряжение и токотстают по фазе на 90°.
Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов.
Преимущества сетей переменного тока:
Напряжение в сетях переменного тока легко преобразуется от одного уровня к другому путем применения трансформатора.
Асинхронные электродвигатели переменного тока проще и надежнее двигателей постоянного тока. (90% вырабатываемой электроэнергии потребляется асинхронными электродвигателями).
Переменный ток используется преимущественно для более удобной передачи от генератора до потребителя.
Генераторы и двигатели Переменного тока по сравнению с машинами постоянного тока при равной мощности меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. Применение переменного тока создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели.
Закрепление изложенного материала – 5 мин.
Предложить слушателям ответить на вопросы теста. Обсудить допущенные ошибки.
1. Переменный электрический ток относится к:
А. вынужденным электромагнитным колебаниям
Б. затухающим электромагнитным колебаниям
В. свободным электромагнитным колебаниям
2. Переменный ток в отличие от постоянного
А. имеет частоту
Б. имеет период
В. имеет период, амплитуду и частоту
3. Бытовые электроприборы рассчитаны на напряжение 220 В. Это значение переменного напряжения.
А. среднее
Б. амплитудное
В. действующее
4. Фаза колебаний силы тока совпадает с фазой колебаний напряжения в цепи с.
А. Катушкой
Б. Активным сопротивлением
В. Конденсатором
5. Колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока наπ/2в цепи с:
А. Катушкой
Б. Активным сопротивлением
В. Конденсатором
6. В цепи переменного тока напряжение отстаёт от тока по фазе на π/2с
А. Катушкой
Б. Активным сопротивлением
В. Конденсатором
V. Ответы на возникшие вопросы, подведение итогов урока – 2 мин.
VI. Домашнее задание:
1. Конспект к уроку.
2. Практическое задание: рассчитать амплитудное значение силы тока и напряжения имеющихся в вашем распоряжении электроприборов.
3. Подготовить реферат на тему:
«Новые современные типы генераторов»;
«Оборудование предприятий общественного питания в которых электрическая энергия превращается в другие виды энергии».
V. Рефлексия:
1.Сегодня я узнал…
2.Урок дал мне для жизни…
3.Мне было интересно узнать, что …
4. Мне было трудно понять…
Преподаватель М.Н. Косолапова
