Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego - Zintegrowana Platforma Edukacyjna

Prąd elektryczny w przewodniku można wzbudzić przez przyłożenie napięcia elektrycznego do końców przewodnika. Napięcie pochodzi z ogniwa lub baterii ogniw. Istnieje jednak sposób wzbudzania prądu bez użycia źródeł chemicznych. Prąd będzie płynął także w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Zjawisko to jest obecnie najważniejszym mechanizmem wytworzenia napięcia elektrycznego w elektrowniach. W tym materiale dowiesz się więcej o powstawaniu prądu indukcyjnego.

RwFafN6IBO7bF

Zdjęcie przedstawia zasilacz do komputera przenośnego leżący na blacie biurka wraz okablowaniem i akumulatorem do notebooka. Z tabliczki znamionowej zasilacza można odczytać, że parametry prądu na wyjściu to 18,5 wolta i 3,5 ampera. — Wiele urządzeń elektrycznych podłącza się do gniazdka za pośrednictwem tzw. zasilaczy. Są one często kłopotliwe – bo ciężkie i z plączącymi się kablami – ale niezbędne, ponieważ służą do zamiany prądu dostarczanego do naszych domów na odpowiedni dla danego urządzenia. Działanie niektórych zasilaczy opiera się na zjawisku, które omówimy na łamach tej lekcji
Źródło: yum9me, dostępny w internecie: https://www.flickr.com/photos/yum9me/2137299096/, licencja: CC BY-NC-ND 2.0.

Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia

opis magnesu jako dipola;
znaczenie pojęcia pola magnetycznego jako przestrzeni, w której działają siły magnetyczne;
opis działania biegunów magnetycznych;
wyjaśnienie występowania pola magnetycznego wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd.

Jeśli potrzebujesz je sobie przypomnieć, wiadomości te znajdziesz w materiale Oddziaływania magnetyczneD1Cj7WJj9Oddziaływania magnetyczne.

Nauczysz się

wytwarzać prąd elektryczny w przewodniku za pomocą ruchu magnesu;
wyjaśniać powstawanie prądu indukcyjnego;
omawiać zjawisko indukcji elektromagnetycznej;
prezentować doświadczalnie zjawisko indukcji elektromagnetycznej;
wyjaśniać zasadę działania transformatora.

W miarę możliwości warto wykonać kilka doświadczeń związanych z omawianymi zagadnieniami. Jeśli to możliwe, przygotuj wskazane poniżej materiały.

Przygotuj przed lekcją:

Doświadczenie $1$ . (element fakultatywny) – potrzebne materiały:

bateria $1,5\,\mathrm{V}$ ;
$2$ spinacze;
zwojnica;
miernik uniwersalny lub woltomierz;
magnes neodymowy.

Doświadczenie $2$ . (element fakultatywny) – potrzebne materiały:

dwie zwojnice o różnej liczbie zwojów;
rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery „U”;
$4$ przewody ze złączami typu „krokodylek”;
miernik uniwersalny lub woltomierz;
zasilacz – generator prądu.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Kiedy w $XIX$ wieku odkryto, że przepływ prądu w przewodniku sprawia, że wokół niego powstaje pole magnetyczne, postawiono pytania: Czy jest możliwe zjawisko odwrotne? Czy magnes może spowodować, że zacznie płynąć prąd elektryczny? Michael FaradayMichael FaradayMichael Faraday, odkrywca tego zjawiska (zwanego zjawiskiem indukcji elekromagnetycznej), poświęcił wiele lat na potwierdzenie tezy, że prąd może powstawać w przewodniku, do którego przyłoży się magnes. Swojego odkrycia dokonał $29$ sierpnia $1831$ roku.

Michael Faraday25.08.1867Hampton Court22.09.1791Newington Butts

R1emddzfo8Hol

Rycina przedstawia portret Michaela Farady'a. Widać na nim twarz oraz ramiona mężczyzny w średnim wieku z bokobrodami, falowanymi włosami zaczesanymi na boki i postawionym na sztorc kołnierzykiem koszuli. — Michael Farady
Źródło: Tagishsimon, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Michael Faraday

1791.09.22 Newington Butts – 1867.08.25 Hampton Court

Michael Faraday [majkel faradej] był angielskim uczonym, który przyczynił się do rozwoju elektromagnetyzmu i elektrochemii. Do największych odkryć zalicza się indukcję elektromagnetyczną, diamagnetyzm i elektrolizę. Faraday jest uznawany za jednego z największych odkrywców, mimo że miał słabe podstawy teoretyczne. Wyniki badań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem doprowadziły do stworzenia koncepcji pola elektromagnetycznego. Odkrycia tego uczonego są podstawą działania silników na prąd stały i generatorów prądu.

Aby potwierdzić wyniki otrzymane przez Faradaya, przeanalizuj (w miarę możliwości, wykonaj) poniższe doświadczenie.

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?

Hipoteza

Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.

Co będzie potrzebne

zwojnica;
magnes stały;
miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);

Instrukcja

Wybierz na mierniku zakres małego natężenia prądu.
Ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.
Połącz zwojnicę z miernikiem.
RsoMdpwQCr2s2
Na schemacie zwojnica - uzwojenie z izolowanego drutu. Uzwojenie w kształcie rury. Do końców zwojnicy przewodem podłączony jest galwanometr w kształcie sześcianu ze skalą wskazówkową. Wskazówka galwanometru odchylona jest maksymalnie w prawo, wskazuje na przepływ prądu przez uzwojenie. Na lewo od zwojnicy magnes sztabkowy, a więc o kształcie prostopadłościanu, skierowany biegunem S do środka zwojnicy. Pod magnesem równoległa do niego strzałka wskazująca kierunek ruchu magnesu. Strzałka ma grot na obu końcach.
Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
Źródło: ContentPlus, licencja: CC BY 3.0.
Szybkim ruchem zbliż magnes do zwojnicy i równie energicznym ruchem oddal go.
Zaobserwuj wskazania przyrządu pomiarowego.
Odwróć magnes, aby zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem.
Szybkim ruchem zbliż magnes do zwojnicy i oddal go.
Połóż magnes w pobliżu zwojnicy i nią poruszaj. Obserwuj wskazania przyrządu pomiarowego.

Podsumowanie

Podczas ruchu magnesu względem zwojnicy wskazówka amperomierza wychyla się raz w jedną, raz w drugą stronę w zależności od tego, czy magnes jest wsuwany czy wysuwany ze zwojnicy. Im ruch magnesu jest szybszy, tym wychylenia wskazówki jest większe. Zmiana biegunów magnesu powoduje zmianę kierunku wychylenia wskazówki. Identyczny efekt obserwuje się podczas ruchu zwojnicy względem nieruchomego magnesu. Brak wzajemnego ruchu nie indukuje prądu elektrycznego w zwojnicy.

Wniosek: Jeżeli zwojnica znajduje się w zmieniającym się polu magnetycznym, to wzbudza się w niej prąd elektryczny.

Przeprowadzono doświadczenie, w którym dokonano analizy względnego ruchu zwojnicy i magnesu.

Doświadczenie 1

Problem badawczy

Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?

Hipoteza

Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.

Co będzie potrzebne

zwojnica;
magnes stały;
miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);

Instrukcja

Wybrano na mierniku zakres małego natężenia prądu.
Ustawiono amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.
Połączono zwojnicę z miernikiem.
RsoMdpwQCr2s2
Na schemacie zwojnica - uzwojenie z izolowanego drutu. Uzwojenie w kształcie rury. Do końców zwojnicy przewodem podłączony jest galwanometr w kształcie sześcianu ze skalą wskazówkową. Wskazówka galwanometru odchylona jest maksymalnie w prawo, wskazuje na przepływ prądu przez uzwojenie. Na lewo od zwojnicy magnes sztabkowy, a więc o kształcie prostopadłościanu, skierowany biegunem S do środka zwojnicy. Pod magnesem równoległa do niego strzałka wskazująca kierunek ruchu magnesu. Strzałka ma grot na obu końcach.
Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
Źródło: ContentPlus, licencja: CC BY 3.0.
Szybkim ruchem zbliżono magnes do zwojnicy i równie energicznym ruchem oddalono go.
Zaobserwano wskazania przyrządu pomiarowego.
Odwrócono magnes, aby zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem.
Szybkim ruchem zbliżono magnes do zwojnicy i oddalono go.
Położono magnes w pobliżu zwojnicy i nią poruszano. Obserwowano wskazania przyrządu pomiarowego.

Podsumowanie

Podczas ruchu magnesu względem zwojnicy wskazówka amperomierza wychylała się raz w jedną, raz w drugą stronę w zależności od tego, czy magnes był wsuwany, czy wysuwany ze zwojnicy. Im ruch magnesu był szybszy, tym wychylenia wskazówki było większe. Zmiana biegunów magnesu spowodowała zmianę kierunku wychylenia wskazówki. Identyczny efekt obserwuje się podczas ruchu zwojnicy względem nieruchomego magnesu. Brak wzajemnego ruchu nie indukuje prądu elektrycznego w zwojnicy.

Wniosek: Jeżeli zwojnica znajduje się w zmieniającym się polu magnetycznym, to wzbudza się w niej prąd elektryczny.

Wyniki doświadczenia pokazują, że bateria nie jest jedynym źródłem napięcia elektrycznego. By wytworzyć prąd elektryczny, wystarczy względny ruch magnesu i przewodnika. Amperomierz pokazuje, że natężenie płynącego prądu zależy od szybkości względnego ruchu zwojnicy i magnesu. Powstawanie prądu elektrycznego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego nazywamy indukcją elektromagnetycznąindukcja elektromagnetycznaindukcją elektromagnetyczną, a prąd płynący w zwojnicy – prądem indukcyjnymprąd indukcyjnyprądem indukcyjnym. Oprócz Michaela Faraday’a badania nad tymi zjawiskami prowadził Amerykanin Joseph HenryJoseph HenryJoseph Henry.

Joseph Henry13.05.1878Waszyngton17.12.1797Alabany

RisUp6WPoki5w

Czarno‑białe zdjęcie przedstawia portret Josepha Henry'ego. Mężczyzna w średnim wieku, ustawiony półprofilem w stronę obiektywu, ma jasne krótkie włosy zaczesane do tyłu. Ubrany jest w szarą marynarkę i białą koszulę z jasnym fularem zawiązanym pod szyją. — Joseph Henry
Źródło: Mathew Brady / Levin Handy, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Joseph Henry

1797.12.17 Alabany – 1878.05.13 Waszyngton

Joseph Henry [dżołzef henry] był amerykańskim naukowcem. Podczas budowania elektromagnesów odkrył zjawisko samoindukcji elektromagnetycznej oraz indukcji elektromagnetycznej (niezależnie od Faraday'a, który jako pierwszy opublikował wyniki doświadczeń). Zajmował się praktycznym zastosowaniem elektromagnesów. Skonstruował m.in. dzwonek elektryczny i przekaźnik elektromagnetyczny (który dla Samuela Morse'a [samjuel mors] stał się podstawą do zbudowania telegrafu).

indukcja elektromagnetyczna

– zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.

prąd indukcyjny

– prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego.

Ciekawostka

Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (dynamo). W obudowie znajduje się stały magnes i zwojnica. Element, który styka się z oponą, to obracające się kółko napędzające połączone wałkiem z magnesem, który jest źródłem zmiennego pola magnetycznego. Wytwarza ono w uzwojeniu prąd który, za pomocą przewodów, doprowadzany jest do żarówki.

RIrvvgYPx0AFH

Na ilustracji, na pierwszym planie widzimy zaświeconą żarówkę zasilaną przez dynamo. Żarówka przyczepiona jest do szprychy koła roweru tuż przy oponie. Przekrój dynamo ukazuje dwa magnesy krążące za pomocą przekładni zasilanej obrotem koła rowerowego na drugim planie wokół uzwojenia. — Budowa prostej prądnicy rowerowej
Źródło: ContentPlus, licencja: CC BY 3.0.

Działanie transformatora

Napięcie elektryczne otrzymywanie w elektrowni sięga $20000$ woltówwoltwoltów, a napięcie w instalacji domowej – tylko $230$ $V$ . Podczas przesyłu energii elektrycznej napięcie ma dużą wartość, wykorzystuje się więc tzw. linie wysokiego napięcia. Obniżenie napięcia do wartości $230$ $V$ następuje dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznejindukcja elektromagnetycznaindukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Aby zapoznać się ze sposobem jego działania, przeanalizuj (wykonaj) poniższe doświadczenie.

wolt

(V)

wolt

(V)

– jednostka napięcia w układzie SI, symbol $V$ .

Doświadczenie 2

Poznanie budowy i sposobu działania transformatora.
Uwaga! To doświadczenie powinien wykonywać nauczyciel.

Co będzie potrzebne

$2$ zwojnice o różnej liczbie zwojów;
rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery „U”;
miernik uniwersalny lub woltomierz;
zasilacz;
przewody.

Instrukcja

Włożenie zwojnicy na rdzeń.
Podłączenie zasilacza do jednej ze zwojnic. Ustawienie go tak, by był źródłem prądu zmiennego.
Połączenie drugiej zwojnicy z miernikiem, ustawienie odpowiedniego zakresu pomiarowego.
RtsK5UsSv4Xgk
Ilustracja przedstawia układ (transformator) po złożeniu według instrukcji do doświadczenia, a więc rdzeń o kształcie kwadratowej ramki, z założonymi na niego zwojami. Obrazek podzielony jest na dwie części: w górnej widać schemat transformatora, natomiast w dolnej znajduje się zdjęcie złożonego transformatora. Na obu częściach obrazka dorysowano również zasilacz podłączony do uzwojenia pierwotnego, oraz woltomierz podłączony do uzwojenia wtórnego.
Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
Źródło: BillC, Zátonyi Sándor, Krzysztof Jaworski, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org, domena publiczna.
Włączenie zasilacza i obserwacja wskazania miernika.
Zwiększenie napięcia prądu z zasilacza i obserwacja wskazania miernika.
Wyłączenie zasilacza. Podłączenie zasilacza do drugiej zwojnicy, a miernika do pierwszej.
Zwiększanie stopniowo napięcia i obserwacja wskazania miernika.

Podsumowanie

Zmiana napięcia między końcami jednej zwojnicy wywołuje zmianę napięcia między końcami drugiej zwojnicy. Napięcie jest wyższe w zwojnicy o większej liczbie zwojów.
Wniosek: Transformator służy do zmiany napięcia poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów. Może obniżać lub podwyższać napięcie prądu elektrycznego.

R18eDOxsM5rqo11

Ćwiczenie 1

Uzupełnij tekst wybierając prawidłowe elementy w miejsce luk.

równej, zaczyna płynąć prąd elektryczny, zmiennego, podwyższania napięcia, większe, mniejsze, nic się nie dzieje, różnej, obniżania napięcia, jednej zwojnicy, dwóch zwojnic, stałego

Transformator zbudowany jest z ...................................................................... o ...................................................................... ilości zwojów. Podłączenie jednej zwojnicy do źródła prądu ...................................................................... powoduje, że w drugiej zwojnicy ....................................................................... Jeśli źródło napięcia jest połączone ze zwojnicą o większej liczbie zwojów, to napięcie między końcami drugiej zwojnicy jest ...................................................................... niż napięcie źródła. Wtedy transformator służy do .......................................................................

Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.

Transformator to urządzenie, które może służyć do podwyższania lub obniżania napięcia. Zastanówmy się, jak on działa. Zwojnica, do której podłączane jest źródło napięcia, nazywana jest uzwojeniem pierwotnym. Wokół uzwojenia pierwotnego powstaje zmienne pole magnetyczne, które jest wzmacniane za pomocą rdzenia (ferromagnetycznego). To pole magnetyczne wywołuje przepływ prądu w drugiej zwojnicy. Nazywana jest ona uzwojeniem wtórnym.

Dzięki dobraniu liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy zmienić wartość napięcia otrzymywanego na uzwojeniu wtórnym. Jeśli liczy ono mniej zwojów niż uzwojenie pierwotne, to transformator będzie obniżał napięcie. Natomiast gdy w uzwojeniu wtórnym będzie więcej zwojów niż w uzwojeniu pierwotnym, transformator będzie podwyższał napięcie. Związek między napięciem a liczbą zwojów opisuje proporcja:

\frac{napięcie wyjściowe}{napięcie wejściowe} = \frac{liczba zwojów uzwojenia wórnego}{liczba zwojów uzwojenia pierwotnego}

\frac{U_{w}}{U_{p}} = \frac{z_{w}}{z_{p}}

Przykład 1

Uzwojenie pierwotne liczy $20$ zwojów, a wtórne $60$ zwojów. Jakie jest napięcie wyjściowe, jeśli napięcie na wejściu jest równe $5$ $V$ ?

Rozwiązanie – pierwszy sposób
Dane:
$z_{p} = 20$
$z_{w} = 60$
$U_{p} = 5 V$
Szukane:
$U_{w} = ?$
Wzór:
$\frac{U_{p}}{z_{p}} = \frac{U_{w}}{z_{w}}$
Obliczenia:
$\frac{5 V}{20} = \frac{U_{w}}{60}$
$20 U_{w} = 5 V \cdot 60 | : 20$
$U_{w} = \frac{300 V}{20}$
$U_{w} = 15$ $V$
Odpowiedź:
Napięcie na wyjściu jest równe $15$ $V$ .

Rozwiązanie – drugi sposób
Uzwojenie wtórne zawiera trzy razy więcej zwojów niż pierwotne. Transformator zwiększy napięcie trzykrotnie, czyli:
$U_{w} = 3 \cdot 5$ $V = 15$ $V$

Ro781A2YlOd1p21

Ćwiczenie 2

Uzupełnij poniższe luki. Kliknij w nie, aby rozwinąć listę, a następnie wybierz poprawną odpowiedź. Uzwojenie pierwotne transformatora składa się z

25

zwojów, a uzwojenie wtórne z

5

zwojów. W uzwojeniu wtórnym znajduje się 1. nie zmienia, 2. podwyższa, 3.

100 V

, 4.

400 V

, 5. o

20

zwojów więcej, 6. pięć razy mniej zwojów, 7. pięć razy więcej zwojów, 8. pięciokrotnie, 9.

4 V

, 10. obniża, 11. pięciokrotnie niż w uzwojeniu pierwotnym. Transformator 1. nie zmienia, 2. podwyższa, 3.

100 V

, 4.

400 V

, 5. o

20

zwojów więcej, 6. pięć razy mniej zwojów, 7. pięć razy więcej zwojów, 8. pięciokrotnie, 9.

4 V

, 10. obniża, 11. pięciokrotnie napięcie 1. nie zmienia, 2. podwyższa, 3.

100 V

, 4.

400 V

, 5. o

20

zwojów więcej, 6. pięć razy mniej zwojów, 7. pięć razy więcej zwojów, 8. pięciokrotnie, 9.

4 V

, 10. obniża, 11. pięciokrotnie. Jeśli napięcie zasilania będzie równe

20 V

, to napięcie na wyjściu będzie równe 1. nie zmienia, 2. podwyższa, 3.

100 V

, 4.

400 V

, 5. o

20

zwojów więcej, 6. pięć razy mniej zwojów, 7. pięć razy więcej zwojów, 8. pięciokrotnie, 9.

4 V

, 10. obniża, 11. pięciokrotnie.

Uzupełnij tekst wybierając prawidłowe elementy w miejsce luk.

podwyższa, o 20 zwojów więcej, nie zmienia, pięciokrotnie, pięć razy więcej zwojów, pięć razy mniej zwojów, pięciokrotnie, 4 V, 400 V, 100 V, obniża

Uzwojenie pierwotne transformatora składa się z 25 zwojów, a uzwojenie wtórne z 5 zwojów. W uzwojeniu wtórnym znajduje się ...................................................... niż w uzwojeniu pierwotnym. Transformator ...................................................... napięcie ....................................................... Jeśli napięcie zasilania będzie równe 20V, to napięcie na wyjściu będzie równe .......................................................

Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.

Przeanalizuj, czy zwiększanie napięcia w uzwojeniu wtórnym kłóci się z zasadą zachowania energiizasada zachowania energiizasadą zachowania energii. Energia jest przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Szybkość tego przekazu jest mocąmocmocą transformatora. Moc w uzwojeniu wtórnym pochodzi z uzwojenia wtórnego, a zgodnie z zasadą zachowania energii (zakładamy brak strat) obie moce są sobie równe. Moc prądu jest iloczynem napięcia i natężenia, czyli:

P_{wejściowa} = P_{wyjściowa}

{(U \cdot I)}_{pierwotne} = {(U \cdot I)}_{wtórne}

Z tego wynika, że zwiększenie napięcia przekłada się na obniżenie natężenia. Możliwość zmiany napięcia jest zaletą prądu zmiennego. Jeśli w przewodzie płynie prąd o dużym natężeniu, to do otoczenia emitowane jest ciepło. Podczas przesyłu energii chcemy te straty ograniczyć do niezbędnego minimum. Dlatego do przesyłania prądu na duże odległości stosuje się wysokie napięcie, a małe natężenie. W elektrowniach napięcie wyjściowe wynosi około $20000$ $V$ . Jest ono podwyższane nawet do $440000$ $V$ . W lokalnych punktach (stacjach transformatorowych) obniża się jego wartość stopniowo, aż uzyska się napięcie potrzebne odbiorcy.

Podane wyżej warunki pracy transformatora są uproszczone. W rzeczywistości występują straty energii w transformatorze – przepływ prądu powoduje wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. Jednak zyski z wykorzystania wysokich napięć do przesyłania energii są znacznie większe.

R106yJ7onzosy

Schemat ukazuje przesył prądu z elektrowni kolejno poprzez stację transformatora SN/NN (średnie napięcia na najwyższe napięcia), linie przemysłowe najwyższych napięć 400 kilowoltów, stację transformatorową NN/WN (najwyższe napięcia na wysokie napięcia), linie wysokiego napięcia 110 kilowoltów, stację transformatorową NN/SN (najwyższe napięcia na średnie napięcia), linie rozdzielcze średnich napięć 30 kilowoltów, transformator słupowy SN/nn (średnie napięcia na niskie napięcia), linie niskich napięć aż do domu. W prawym dolnym logu widać legendę: NN - najwyższych napięć (220 kilowoltów, 400 kilowoltów, 750 kilowoltów), WN - wysokich napięć (110 kilowoltów), SN - średnich napięć (15 kilowoltów, 20 kilowoltów), nn - niskich napięć (400/230 woltów). — Podczas przesyłania energii kilkakrotnie stosuje się transformatory, aby podwyższać i obniżać napięcie
Źródło: ContentPlus, edycja: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

zasada zachowania energii

– energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można jedynie zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie.

transformator

– urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zmienia parametry prądu elektrycznego.

moc

(P)

moc

(P)

– szybkość przekazywanej energii. Jednostką mocy w układzie SI jest wat ( $W$ ).

Podsumowanie

Jeżeli w pobliżu przewodnika będziemy zmieniać pole magnetyczne, to między końcami tego przewodnika pojawi się napięcie elektryczne. Zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną.
Jeżeli z takiego przewodnika powstał obwód zamknięty, to popłynie w nim prąd indukcyjny.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej to podstawowe źródło wywarzania energii elektrycznej.
Do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości służą linie wysokiego napięcia.
Stosowanie wysokiego napięcia podczas przesyłania energii elektrycznej powoduje, że zmniejsza się natężenie płynącego prądu a straty związane z emisją ciepła do otoczenia są minimalne.
Transformator jest urządzeniem, które może obniżać lub podwyższać napięcie poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów.
Transformator zbudowany jest z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które są nawinięte na ferromagnetycznym rdzeniu. Podłączenie prądu zmiennego do uzwojenia pierwotnego sprawia, że w uzwojeniu wtórnym zaczyna płynąć prąd. Jest to możliwe dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

R1HvYmXN9mAgT

Ćwiczenie 3

Uzwojenie pierwotne transformatora zawiera

1000

zwojów. Uzwojenie wtórne zawiera także

1000

zwojów, ale jest tak nawinięte, że po

100

300

800

zwoju znajdują się tzw. odczepy, dzięki którym możemy skorzystać tylko z danej części zwojów (a nie z całego tysiąca). Do uzwojenia pierwotnego podłączono napięcie

230 V

z sieci domowej. W jaki sposób możemy uzyskać napięcie:

23 V

46 V

69 V

115 V

161 V

? Uzupełnij luki.

23 V

poprzez podłączanie Tu uzupełnij zwojów.

46 V

poprzez podłączenie Tu uzupełnij zwojów.

69 V

poprzez podłączenie Tu uzupełnij zwojów.

115 V

poprzez podłączanie Tu uzupełnij zwojów.

161 V

poprzez podłączenie Tu uzupełnij zwojów.

Ćwiczenie 4

Zasilacz do ładowania wkrętarki akumulatorowej ma napisane: wejście (input) $220 V$ i wyjście (output) $12 V$ , $830 mA$ . Czy ten zasilacz obniża, czy podwyższa napięcie? Oszacuj natężenie prądu, jaki popłynie przez uzwojenie pierwotne transformatora, przy założeniu braku strat (z zaokrągleniem do liczby całkowitej).

Rc29aRWmuZ8GG

RNQTGiX3D9zw0

Zadania podsumowujące lekcję

R16CS6GebkwgX11

Ćwiczenie 5

Wybierz prawidłową odpowiedź.
Podczas przesyłania energii elektrycznej na duże odległości stosuje się

wysokie napięcie i niskie natężenie prądu.
niskie napięcie i niskie natężenie prądu.
wysokie napięcie i wysokie natężenie prądu.
niskie napięcie i wysokie natężenie prądu.

Rpm8Hkt64NtlI21

Ćwiczenie 6

Wybierz elementy, z których mógłbyś zbudować transformator.

zwojnica o 20 zwojach
zwojnica o 30 zwojach
źródło prądu zmiennego
rdzeń z ferromagnetyka
rdzeń z drewna
spinacze

R1O7ASuftAmfu11

Ćwiczenie 7

Łączenie par. W uzwojeniu pierwotnym transformatora znajduje się

50

zwojów, a w uzwojeniu wtórnym

250

zwojów.
Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”.. Transformator podwyższa napięcie.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Napięcie na wejściu jest pięciokrotnie niższe niż na wyjściu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

Oceń prawdziwość stwierdzeń na podstawie zdania:
W uzwojeniu pierwotnym transformatora znajduje się 50 zwojów, a w uzwojeniu wtórnym 250 zwojów.

	Prawda	Fałsz
Transformator podwyższa napięcie.	□	□
Napięcie na wejściu jest pięciokrotnie niższe niż na wyjściu.	□	□

ROaOyN6YlgV0b21

Ćwiczenie 8

Uzwojenie pierwotne transformatora składa się ze 100 zwojów, a uzwojenie wtórne z 25 zwojów. Uzwojenie pierwotne podłączono do zmiennego źródła prądu o maksymalnym napięciu 240V. Maksymalne napięcie na wyjściu jest równe

60 V.
960 V.
9,6 V.

Michael Faraday25.08.1867Hampton Court22.09.1791Newington Butts

R1emddzfo8Hol

Michael Faraday

1791.09.22 Newington Butts – 1867.08.25 Hampton Court

Joseph Henry13.05.1878Waszyngton17.12.1797Alabany

RisUp6WPoki5w

Joseph Henry

1797.12.17 Alabany – 1878.05.13 Waszyngton