Лабораторная работа №1, страница 41 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Лабораторная работа № 1. Определение числа витков в обмотках трансформатора

Цель работы: определить число витков в обмотках трансформатора.

Оборудование: трансформатор лабораторный разборный; источник переменного напряжения 12 В; авометр АВО-63; провод изолированный.

Краткая теория. Для определения числа витков в обмотке трансформатора с неизвестными параметрами можно воспользоваться тем свойством трансформатора, что в режиме холостого хода отношение напряжений на первичной $U_1$ и вторичной $U_2$ его обмотках равно отношению числа витков $N_1$ в первичной обмотке к числу витков $N_2$ во вторичной обмотке:

$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}$

Намотав на сердечник трансформатора вторичную обмотку с известным числом витков $N_2$ и измерив напряжение $U_1$ на первичной обмотке, можно определить число витков $N_1$ в первичной обмотке:

$N_1 = N_2 \frac{U_1}{U_2}$

Порядок работы:

1. Снимите одну из катушек трансформатора. Намотайте непосредственно на сердечник исследуемого трансформатора 20–40 витков с выведенными концами изолированного провода, которые служат как вторичная обмотка.

2. Подключите выводы первичной обмотки трансформатора к источнику переменного напряжения $U_1 = 12$ В, измерьте напряжение на вторичной обмотке.

3. По измеренным значениям напряжения и известному числу витков во вторичной обмотке определите число витков в первичной обмотке.

4. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

№ опыта $U_1$ $U_2$ $N_1$ $N_2$

1

2

3

5. Определите абсолютную и относительную погрешности измерения. Для определения абсолютной погрешности воспользуемся понятием абсолютной погрешности $\Delta x = x_{ср} - x_н$, где $x_{ср}$ – средняя величина, равная среднему арифметическому значению всех полученных значений $x_1$, $x_2$, $x_3$ ... $x_n$. Относительная погрешность $\epsilon = \frac{\Delta x}{x_{ср}} \cdot 100\%$. Среднее значение абсолютной и относительной погрешностей определяют как среднее арифметическое всех величин.

6. Запишите вывод: что вы измеряли, какой получен результат.

Для осмысления принципа работы трансформатора и его роли обсудите в группах приведенные ниже вопросы.

7. Для осмысления проделанный работы ответьте на следующие вопросы.

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 1

1. Что называют трансформатором?

2. На каком явлении основан принцип действия трансформатора?

3. Что называют коэффициентом трансформации?

4. Что называется КПД трансформатора?

5. Что будет с трансформатором, если его включить в цепь постоянного тока?

6. Почему при разомкнутой вторичной цепи (холостой ход) трансформатор почти не потребляет энергии?

7. Для чего около электростанций устанавливают повышающий трансформатор?

8. Какой трансформатор устанавливают около потребителей электрической энергии?

1. Что называют трансформатором?

Трансформатором называют статическое (не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство, которое преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения с той же частотой. Он состоит, как правило, из одной или нескольких изолированных проволочных обмоток, намотанных на общий магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного материала. Обмотки не связаны электрически, передача энергии между ними происходит посредством переменного магнитного поля.

Ответ: Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока при неизменной частоте.

2. На каком явлении основан принцип действия трансформатора?

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, в ней протекает переменный ток, который создает в замкнутом магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот переменный магнитный поток, пронизывая витки как первичной, так и вторичной обмоток, индуцирует в каждой из них электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС, возникающая в первичной обмотке (ЭДС самоиндукции), противодействует напряжению источника, а ЭДС, возникающая во вторичной обмотке (ЭДС взаимоиндукции), создает напряжение на ее выводах.

Ответ: Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

3. Что называют коэффициентом трансформации?

Коэффициентом трансформации $k$ называют отношение напряжения на первичной обмотке $U_1$ к напряжению на вторичной обмотке $U_2$ в режиме холостого хода (когда вторичная обмотка разомкнута). Это отношение также примерно равно отношению числа витков в первичной обмотке $N_1$ к числу витков во вторичной обмотке $N_2$.

Формула для коэффициента трансформации: $k = \frac{U_1}{U_2} \approx \frac{N_1}{N_2}$.

Если $k > 1$ ($N_1 > N_2$), трансформатор является понижающим. Если $k < 1$ ($N_1 < N_2$), трансформатор — повышающий. Если $k = 1$ ($N_1 = N_2$), трансформатор является разделительным.

Ответ: Коэффициент трансформации — это отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке, равное отношению числа витков в этих обмотках.

4. Что называется КПД трансформатора?

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношение полезной (отдаваемой в нагрузку) активной мощности $P_2$ ко всей (потребляемой из сети) активной мощности $P_1$. КПД обычно выражается в процентах.

Формула для КПД: $\eta = \frac{P_2}{P_1} \cdot 100\%$.

Так как потребляемая мощность всегда больше отдаваемой на величину потерь мощности в трансформаторе ($P_{потерь}$), то $P_1 = P_2 + P_{потерь}$. Потери складываются из потерь в стали сердечника (на перемагничивание и вихревые токи) и потерь в медных проводах обмоток (на нагрев). Трансформаторы — очень эффективные устройства, и их КПД может достигать 99% и более.

Ответ: КПД трансформатора — это отношение отдаваемой мощности к потребляемой, которое характеризует его эффективность.

5. Что будет с трансформатором, если его включить в цепь постоянного тока?

Трансформатор предназначен для работы только в цепях переменного тока. Если подключить его к источнику постоянного тока, то индуцирования ЭДС во вторичной обмотке не произойдет, так как постоянный ток создает постоянный, а не переменный магнитный поток. Следовательно, на выходе трансформатора напряжение будет равно нулю.

При этом для постоянного тока первичная обмотка представляет собой просто катушку с очень малым активным сопротивлением. Согласно закону Ома $I = \frac{U}{R}$, при подаче даже небольшого постоянного напряжения ток в первичной обмотке станет очень большим (ток короткого замыкания). Это приведет к быстрому и сильному перегреву обмотки, расплавлению изоляции и, в конечном итоге, к выходу трансформатора из строя (сгоранию).

Ответ: При включении в цепь постоянного тока трансформатор не будет выполнять свою функцию, а его первичная обмотка, скорее всего, сгорит из-за очень большого тока.

6. Почему при разомкнутой вторичной цепи (холостой ход) трансформатор почти не потребляет энергии?

В режиме холостого хода вторичная обмотка разомкнута, ток в ней не течет ($I_2 = 0$), и полезная мощность не отдается ($P_2 = 0$). Через первичную обмотку протекает небольшой ток, называемый током холостого хода $I_0$. Этот ток мал, потому что переменный магнитный поток в сердечнике создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, которая почти полностью уравновешивает напряжение источника питания.

Ток холостого хода необходим для создания магнитного потока в сердечнике и для компенсации потерь энергии в самом трансформаторе. Эти потери (потери холостого хода) состоят в основном из потерь в стали сердечника на гистерезис и вихревые токи. Поскольку ток холостого хода очень мал (обычно 2-10% от номинального тока), потребляемая из сети активная мощность в этом режиме также очень мала. Она расходуется только на покрытие этих потерь и выделяется в виде тепла.

Ответ: В режиме холостого хода трансформатор потребляет очень мало энергии, так как протекающий ток мал и мощность расходуется лишь на компенсацию незначительных потерь в сердечнике.

7. Для чего около электростанций устанавливают повышающий трансформатор?

Электроэнергия на электростанциях вырабатывается при относительно невысоких напряжениях (6-24 кВ). Для передачи этой энергии на большие расстояния по линиям электропередачи (ЛЭП) напряжение необходимо значительно повысить. Это делается с помощью мощных повышающих трансформаторов.

Причина заключается в необходимости снижения потерь мощности в проводах. Потери мощности при передаче пропорциональны квадрату силы тока ($P_{потерь} = I^2 \cdot R$). Согласно формуле мощности $P = U \cdot I$, для передачи одной и той же мощности $P$ при увеличении напряжения $U$ в несколько раз, сила тока $I$ во столько же раз уменьшается. Уменьшение силы тока, в свою очередь, приводит к резкому (квадратичному) снижению потерь энергии на нагрев проводов. Таким образом, повышение напряжения делает передачу электроэнергии на большие расстояния экономически выгодной и эффективной.

Ответ: Повышающий трансформатор у электростанций нужен для увеличения напряжения, что позволяет значительно снизить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояния.

8. Какой трансформатор устанавливают около потребителей электрической энергии?

Высокое напряжение, используемое для передачи электроэнергии, опасно для жизни и непригодно для использования в бытовых приборах и на промышленных предприятиях. Поэтому перед подачей энергии конечному потребителю высокое напряжение необходимо понизить до стандартных и безопасных значений (например, 220/380 В).

Для этой цели вблизи потребителей (в городах, поселках, на заводах) на трансформаторных подстанциях устанавливают понижающие трансформаторы. Они преобразуют высокое напряжение из линий электропередачи в низкое напряжение, которое и поступает в наши дома и на предприятия.

Ответ: Около потребителей электрической энергии устанавливают понижающие трансформаторы для преобразования высокого напряжения из ЛЭП в низкое, безопасное для использования напряжение.