Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego
Wiesz już, że 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.
opisać magnes jako dipol, czyli ciało, które posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S);
podać znaczenie pojęcia pola magnetycznego jako przestrzeni, w której działają siły magnetyczne;
opisać działanie biegunów magnetycznych: jednoimienne się odpychają, a różnoimienne – przyciągają;
wyjaśnić występowanie pola magnetycznego wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd.
wytwarzać prąd elektryczny za pomocą ruchu magnesu;
wyjaśniać powstawanie prądu indukcyjnego;
omawiać zjawisko indukcji elektromagnetycznej;
prezentować doświadczalnie zjawisko indukcji elektromagnetycznej;
wyjaśniać zasadę działania transformatora.
Doświadczenie 1. (element fakultatywny) – potrzebne materiały:
bateria 1,5 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.
1. 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 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 Faraday
Michael Faraday 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, wykonaj poniższe doświadczenie.
Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?
Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.
zwojnica;
magnes stały;
miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);
Wybierz na mierniku zakres małego natężenia prądu.
Ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.
Połącz zwojnicę z miernikiem.
RCvgkp1QkSH5o1 
Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnegoSzybkim 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.
Gdy magnes się poruszał, amperomierz wskazywał pewne wartości natężenia prądu, które ulegały zmianie. Oznacza to, że magnes poruszający się względem przewodu sprawił, że zaczął przepływać prąd. Gdy magnes spoczywał, ale przewodnik był w ruchu, to wtedy również płynął prąd.
Wniosek: Wzajemny ruch magnesu i przewodnika wywołuje przepływ prądu. W zmiennym polu magnetycznym wytwarzane jest napięcie elektryczne, które powoduje przepływ pradu elektrycznego.
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 elektromagnetycznąindukcją elektromagnetyczną, a prąd płynący w zwojnicy – prądem indukcyjnymprądem indukcyjnym. Oprócz Michaela Faraday’a badania nad tymi zjawiskami prowadził Amerykanin Joseph HenryJoseph Henry.
Joseph Henry
Joseph 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 iprzekaźnik elektromagnetyczny (który dla Samuela Morse'a stał się podstawą do zbudowania telegrafu).
– zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.
– prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego.
Dynamo rowerowe to też prądnica.
Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (dynamo). W obudowie znajduje się stały magnes i zwojnica. Element, który styka się z oponą, to obracający się magnes, który jest źródłem zmiennego pola magnetycznego. Wytwarza ono prąd w uzwojeniu, który następnie za pomocą przewodów doprowadzany jest do żarówki.
2. Działanie transformatora
Napięcie elektryczne otrzymywanie w elektrowni sięga 20 000 woltówwoltów, 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 elektromagnetycznejindukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Aby zapoznać się ze sposobem jego działania, wykonaj poniższe doświadczenie.
– jednostka napięcia w układzie SI, symbol V.
Poznanie budowy i sposobu działania transformatora.
2 zwojnice o różnej liczbie zwojów;
rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery „U”;
miernik uniwersalny lub woltomierz;
zasilacz;
przewody.
Włóż zwojnice na rdzeń.
Do jednej ze zwojnic podłącz zasilacz. Ustaw go tak, by był źródłem prądu zmiennego (poproś o pomoc nauczyciela).
Drugą zwojnicę połącz z miernikiem, ustaw odpowiedni zakres pomiarowy (poproś nauczyciela o pomoc).
Rx2yXHMOUSjPG1 
Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnegoWłącz zasilacz i obserwuj wskazania miernika.
Zwiększ napięcie prądu z zasilacza i obserwuj wskazania miernika.
Wyłącz zasilacz. Podłącz zasilacz do drugiej zwojnicy, a miernik do pierwszej.
Zwiększaj stopniowo napięcie i obserwuj wskazania miernika.
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.
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 .......................................................................
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:
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:
Szukane:
Wzór:
Obliczenia:
Odpowiedź:
Napięcie na wyjściu jest równe 15 V.
Rozwiązanie – drugi sposób
Uzwojenie wtórne zawiera trzy razy więcej zwojów niz pierwotne. Transformator zwiększy napięcie trzykrotnie, czyli:
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 .......................................................
Przeanalizuj, czy zwiększanie napięcia w uzwojeniu wtórnym kłóci się z zasadą zachowania energiizasadą zachowania energii. Energia jest przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Szybkość tego przekazu jest mocąmocą 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:
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 20 000 V. Jest ono podwyższane nawet do 440 000 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.
– energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można jedynie zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie.
– urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zmienia parametry prądu elektrycznego.
– 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 elektromagnetyczneą.
Jeżeli z 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 wysokicego 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 uzwojeń 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.
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? Uzasadnij odpowiedź i oszacuj natężenie prądu jaki popłynie przez uzwojenie pierwotne transformatora przy zalozeniu braku strat.
Uzwojenie pierwotne transformatora zawiera 1000 zwojów. Uzwojenie wtórne zawiera także 1000 zwojów, ale jest tak nawinięte, że po 100, 300 i 800 zwojach znajdują się tzw. odczepy. Do uzwojenia pierwotnego podłączono napięcie 230 V z sieci domowej. W jaki sposób możemy uzyskać napięcie: 23 V, 46 V, 69 V, 115 V i 161 V?
Zadania podsumowujące lekcję
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.
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
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. | □ | □ |
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.