Temat

Działanie transformatora

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

VIII. Magnetyzm. Uczeń:

5) opisuje zasadę działania transformatora oraz podaje przykłady jego zastosowania.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje zasadę działania transformatora.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Podaje przykłady zastosowania transformatora.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia zasadę działania transformatora,

- wymienia przykłady zastowania transformatora.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Doświadczenie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie przypominają, na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej?

Realizacja lekcjia

Napięcie elektryczne otrzymywane w elektrowni sięga 20000 woltów przy natężeniu prądu rzędu tysięcy amperów. Z kolei napięcie w instalacji domowej – to tylko 230 V. Podczas przesyłu energii elektrycznej napięcie wielokrotnie się podwyższa, wykorzystuje się więc tzw. linie wysokiego napięcia. Ponowne obniżenie napięcia do wartości 230 V następuje przed instalacją domową. Również w domu znajdujemy wiele urządzeń, które wymagają różnego napięcia, np. ładowarka do telefonu, układy wewnątrz komputera czy dzwonek do drzwi, a zasilane są napięciem 230 V. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Wykorzystuje on zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Definicja:
Transformator to urządzenie, które pozwala na podwyższanie lub obniżanie napięcia zmiennego i jednocześnie przenosi energię elektryczną prądu zmiennego dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej z jednego obwodu elektrycznego do drugiego.

Transformatory nie tylko obniżają lub podwyższają napięcie prądu zmiennego, ale także separują galwanicznie obwody elektryczne. Stosuje się to w celu ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym, np. w pomieszczeniach o dużej wilgotności, w elektronarzędziach.

[Grafika interaktywna]

Transformator składa się z dwóch uzwojeń nawiniętych na żelazny rdzeń. Prąd zmienny w jednym uzwojeniu wytwarza zmienne pole magnetyczne. Pole to indukuje napięcie w drugim uzwojeniu.

Jeśli w uzwojeniu pierwotnym liczba zwojów jest większa niż we wtórnym to indukowane napięcie będzie niższe od pierwotnego – czyli mamy do czynienia z transformatorem obniżającym napięcie.

Jeśli w uzwojeniu pierwotnym liczba zwojów jest mniejsza niż we wtórnym, to indukowane napięcie będzie większe od pierwotnego – jest to transformator podwyższający napięcie.

Związek między napięciem a liczbą zwojów opisuje proporcja:

Polecenie 1

Uzwojenie pierwotne transformatora liczy 20 zwojów, a wtórne 400.

Ile będzie wynosiło napięcie wyjściowe, jeżeli napięcie wejściowe równe jest 500 V?

Odpowiedź:

UIndeks dolny w_w = 10000 V.

Cechą charakterystyczną transformatora jest szybkość przekazu energii prądu zmiennego, zwana mocą transformatora. Moc oznaczana jest symbolem P, a jej jednostką jest wat (W).

Definicja:
Moc – szybkość przekazywania energii. Symbol mocy to P, a jednostką w układzie SI jest wat (W).

Zgodnie z zasadą zachowania energii moc w uzwojeniu wtórnym powinna być równa mocy w uzwojeniu pierwotnym, przy założeniu braku strat energii:

Moc prądu jest iloczynem jego napięcia i natężenia, czyli:

Im większe napięcie, tym mniejsze musi być natężenie prądu. Możliwość zmiany napięcia jest zaletą prądu zmiennego. Wykorzystuje się to przy przesyłaniu energii elektrycznej na dalekie odległości. Przesył energii obarczony jest stratami wynikającymi z tego, że gdy w przewodzie płynie prąd, do otoczenia emitowane jest ciepło. Spowodowane jest to rezystancją przewodu. Straty są niepożądane, więc żeby je minimalizować do przesyłania prądu na duże odległości stosuje się wysokie napięcie, a małe natężenie. W elektrowniach napięcie wyjściowe wynosi około 20000 V i jest ono podwyższane nawet do 440000 V. W lokalnych stacjach transformatorowych obniża się jego wartość stopniowo, aż uzyskane zostanie napięcie potrzebne odbiorcy.

[Ilustracja 1]

Oprócz stacji transformatorowych transformatory znajdujemy praktycznie w każdym urządzeniu elektrycznym stosowanym na co dzień, np. wzmacniacze mocy, telewizor, zasilacz do komputera, ładowarka do baterii telefonu, itp.

Podsumowanie lekcji

Transformator to urządzenie, które pozwala na podwyższanie lub obniżanie napięcia zmiennego i jednocześnie przenosi energię elektryczną prądu zmiennego dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej z jednego obwodu elektrycznego do drugiego.