Физика 11. Урок " производство, передача и использование энергии переменного тока. Трансформатор»

Значение передачи энергии переменного тока Энергия переменного тока может передаваться на большие расстояния с помощью проводников, но это приводит к потерям энергии из-за нагрева. Чтобы уменьшить эти потери, сопротивление проводников и ток должны быть сведены к минимуму. Этого можно достичь за счет снижения сопротивления проводника за счет выбора материала, регулировки длины или увеличения площади поперечного сечения.

Повышение эффективности за счет регулировки напряжения Для минимизации потерь энергии при передаче требуются высокие напряжения и низкие токи. Увеличение напряжения в 10 раз снижает силу тока и тепловыделение в 100 раз. Поэтому для регулировки напряжения для эффективной передачи электроэнергии используются трансформаторы.

Принцип работы трансформатора Трансформатор - это электромагнитное устройство, которое преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с постоянной частотой. Он состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток, изготовленных из изолированного медного провода, известных как первичная и вторичная обмотки.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, она создает изменяющийся магнитный поток в замкнутом сердечнике, индуцируя ЭДС как в первичной, так и во вторичной обмотках в соответствии с их соответствующим количеством витков (N1 для первичной и N2 для вторичной). Индуцированные ЭДС связаны через E1 = -nE2, где n = N1/N2 представляет собой соотношение витков между обмотками.

Работа трансформатора без нагрузки Работа трансформатора без нагрузки происходит, когда вторичная обмотка не подключена ни к какой нагрузке. В этом случае индуцированная ЭДС (электродвижущая сила) E1 вызывает небольшое падение напряжения на первичной обмотке, что приводит к незначительному протеканию тока. Соотношение напряжений и витков между первичной и вторичной обмотками определяет коэффициент преобразования K.

Регулирование напряжения в режиме холостого хода В условиях холостого хода соотношение между напряжениями U1 и U2 определяется с помощью ERS (самоиндуктивности), эпсилон 1 делится на эпсилон 2, что равно N1, деленному на N2, умноженному на K. Если N1 > N2 или K > 1, то U1 будет больше U2; если N1

Когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в ней индуцируется электрический ток. Этот ток уменьшает магнитный поток в сердечнике и уменьшает самоиндукцию в первичной обмотке. В результате сила тока в первичной обмотке увеличивается.

Трансформаторы в любом техническом устройстве имеют определенные потери энергии. Коэффициент полезной мощности трансформатора - это соотношение между выходной мощностью P2, которую трансформатор подает потребителю электрической энергии, и входной мощностью P1, которую трансформатор потребляет из электрической сети. Это полезное соотношение мощности обозначается eta и равно отношению P2 к P1, умноженному на 100%.

Области применения трансформаторов Трансформаторы используются для повышения и понижения напряжения при передаче электроэнергии на большие расстояния. Повышающие трансформаторы вблизи электрогенераторов обеспечивают передачу при высоком напряжении, снижая потери энергии в проводах. Понижающие трансформаторы снижают высокое напряжение на линиях электропередачи до уровней, приемлемых для потребителей.

Принцип работы трансформаторов Трансформаторы состоят из железного сердечника, окруженного первичной и вторичной обмотками. Когда подается высокое переменное напряжение, оно индуцирует ток в первичной обмотке, создавая магнитный поток, который проходит через сердечник и индуцирует более низкое напряжение во вторичной обмотке из-за различий в витках катушки. Этот процесс обеспечивает эффективную передачу электрической энергии без прямого контакта между обмотками.

Трансформатор увеличивает напряжение с 220 до 660 В при 840 витках в первичной обмотке. Коэффициент преобразования рассчитывается как отношение витков первичной обмотки к виткам вторичной обмотки, которое оказывается меньше единицы. Используя это соотношение, мы определяем, что во вторичной обмотке имеется 2520 витков.

Напряжение и ток первичной и вторичной катушек Первичная обмотка повышающего трансформатора подключена к источнику питания переменного тока напряжением 120 В. Вторичная катушка имеет напряжение 2400 В и ток 2 А. Нам нужно найти ток в первичной катушке, а также входную и выходную мощность, предполагая отсутствие потерь энергии в трансформаторе.

Расчет входной и выходной мощности Используя заданные напряжения (120 В для входа, 2400 В для выхода) наряду с токами (2А), мы можем рассчитать обе входные мощности (4800 Вт), используя формулу P1 = u1*i1, где u1 = 120 В и i1 =40А; аналогично выходная мощность также будет равна 4800 Вт, используя P2 = u2*формула i22.

Эффективность трансформатора КПД трансформатора определяется отношением выходной мощности к входной мощности, выраженным в процентах. Его можно рассчитать по формуле: КПД (%) = (Выходная мощность / входная мощность на входе) * 100%. Эффективность трансформатора имеет решающее значение для минимизации потерь энергии при передаче электроэнергии.

Потери и применения Трансформаторы испытывают потери энергии во время работы, особенно в повышающих или понижающий трансформаторах. Эти потери могут быть уменьшены за счет улучшения конструкции трансформаторов. Кроме того, трансформаторы нельзя подключать к источникам постоянного тока из-за их природы переменного тока. Понимание эффективности трансформатора имеет важное значение для оптимизации энергопотребления в различных областях применения.