Лабораторная работа №1, страница 67, часть 1 - 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.

Необходимое 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 вторичную обмотку из 20-40 витков на сердечник исследуемого трансформатора.

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 по формуле определите число витков в первичной обмотке.

4. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

5. Определите абсолютную и относительную погрешности измерения. Абсолютная погрешность $\Delta x = x_{cp} - x$, где $x_{cp}$ - средняя величина, равная среднему арифметическому значению всех полученных значений $x_1, x_2, x_3 ... x_n$.

Относительная погрешность $\varepsilon = \frac{\Delta x}{x_{cp}} \cdot 100\%$. Среднее значение абсолютной и относительной погрешностей определяют как среднее арифметическое всех величин.

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

7. Для осмысления полученного результата 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 электромагнитное устройство, не имеющее движущихся частей, которое предназначено для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Конструктивно он состоит, как правило, из двух или более изолированных проволочных обмоток (катушек), намотанных на общий ферромагнитный сердечник (магнитопровод). Обмотка, подключаемая к источнику питания, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, — вторичной.

Ответ: Трансформатор — это статическое устройство для преобразования напряжения переменного тока.

2. На каком явлении основан принцип действия трансформатора?

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

Ответ: Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

3. Что называют коэффициентом трансформации?

Коэффициентом трансформации $k$ называют величину, показывающую, во сколько раз трансформатор изменяет напряжение. В режиме холостого хода (когда вторичная обмотка разомкнута) он равен отношению напряжения на первичной обмотке $U_1$ к напряжению на вторичной обмотке $U_2$: $k = \frac{U_1}{U_2}$. Для идеального трансформатора (без потерь) это отношение также равно отношению числа витков в первичной обмотке $N_1$ к числу витков во вторичной обмотке $N_2$: $k = \frac{N_1}{N_2}$. Если $k > 1$, трансформатор является понижающим, а если $k < 1$ — повышающим.

Ответ: Коэффициент трансформации — это отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке в режиме холостого хода, $k = U_1/U_2$.

4. Что называется КПД трансформатора?

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношение активной (полезной) мощности $P_2$, отдаваемой трансформатором в нагрузку, к активной мощности $P_1$, потребляемой им из сети. КПД, обозначаемый буквой $\eta$ (эта), обычно выражается в процентах: $\eta = \frac{P_2}{P_1} \cdot 100\%$. Разница между потребляемой и отдаваемой мощностью ($P_1 - P_2$) представляет собой потери мощности в трансформаторе, которые расходуются на нагрев обмоток и сердечника. Трансформаторы являются одними из самых эффективных электрических машин, их КПД может достигать 99% и более.

Ответ: КПД трансформатора — это отношение отдаваемой мощности к потребляемой, выраженное в процентах.

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

Если трансформатор подключить к источнику постоянного тока, то явление электромагнитной индукции возникать не будет, так как постоянный ток создает в сердечнике постоянный, а не переменный магнитный поток. Следовательно, ЭДС во вторичной обмотке индуцироваться не будет (напряжение на ней будет равно нулю). Индуктивное сопротивление первичной обмотки переменному току велико, но её активное сопротивление постоянному току очень мало. Поэтому при подключении к источнику постоянного тока через первичную обмотку потечет очень большой ток, ограниченный лишь её малым активным сопротивлением. Это приведет к сильному перегреву обмотки и, с высокой вероятностью, к её сгоранию (выходу трансформатора из строя).

Ответ: Трансформатор перегреется и выйдет из строя (сгорит), так как через его первичную обмотку потечет слишком большой ток.

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

В режиме холостого хода вторичная цепь разомкнута, ток в ней не течет, и полезная мощность не отдается. При этом в первичной обмотке протекает небольшой ток холостого хода. Этот ток необходим для создания переменного магнитного потока в сердечнике. Его величина мала, так как создаваемый магнитный поток индуцирует в первичной обмотке большую ЭДС самоиндукции, которая почти полностью уравновешивает напряжение источника. Мощность, потребляемая в этом режиме, тратится только на покрытие потерь в стали сердечника (на перемагничивание и вихревые токи) и на незначительный нагрев самой первичной обмотки. Так как ток холостого хода мал, эти потери мощности очень незначительны.

Ответ: Потому что ток в первичной обмотке очень мал, и потребляемая мощность тратится лишь на незначительные потери в сердечнике.

7. Для чего около электростанций устанавливают повышающий трансформатор?

Повышающие трансформаторы на электростанциях необходимы для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния. Потери мощности в линиях электропередачи (ЛЭП) на нагрев проводов определяются формулой $P_{потерь} = I^2 R$, где $I$ — сила тока, а $R$ — сопротивление линии. Чтобы минимизировать эти потери, необходимо уменьшить силу тока. В то же время передаваемая мощность равна $P = U I$. Следовательно, для передачи той же мощности при меньшем токе необходимо значительно увеличить напряжение $U$. Повышающий трансформатор как раз и выполняет эту задачу: он увеличивает напряжение, генерируемое электростанцией, до сотен киловольт, что позволяет снизить ток в ЛЭП и, соответственно, многократно сократить потери энергии.

Ответ: Для увеличения напряжения и уменьшения силы тока, что позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями.

8. Какой трансформатор устанавливают около потребителей электрической энергии?

Около потребителей электрической энергии (например, в городских и сельских трансформаторных подстанциях) устанавливают понижающие трансформаторы. Высокое напряжение, используемое в линиях электропередачи для минимизации потерь, является смертельно опасным и непригодным для питания бытовых и большинства промышленных электроприборов. Понижающий трансформатор выполняет обратную задачу: он преобразует высокое напряжение из ЛЭП (например, 6 кВ или 10 кВ) в стандартное низкое напряжение потребительской сети (например, 380/220 В), безопасное и пригодное для использования.

Ответ: Около потребителей устанавливают понижающий трансформатор для преобразования высокого напряжения из линии передач в низкое, пригодное для использования.