Тема: Трансформатор.
Мета уроку: навчити використовувати на практиці здобуті знання, вміння і навички
розвинути логічне мислення і методи розв’язку задач
виховати любов до науки
Обладнання уроку: модель генератора, осцилограф, трансформатор.
Тип уроку: комбінований.
Вид уроку: вивчення нового матеріалу.

Планування уроку:
1.    Організаційна частина     (       )
2.    Актуалізація опорних знань (       )
3.    Пояснення нового матеріалу (       )
4.    Закріплення нового матеріалу (       )
5.    Підведення підсумків (       )

План уроку
1.    Трансформатор.
2.    Розв’язування задач.
3.    Домашнє завдання.

Хід уроку
І. Організаційна частина.
Заходжу в клас, вітаюся з учнями та перевіряю присутніх і їх готовність до уроку.
ІІ. Актуалізація опорних знань.
А зараз ми з вами перевіримо, як ви засвоїли матеріал попереднього уроку. (перевіряю домашню роботу задану на попередньому уроці вправа 5(2).)
Амплітуда сили змінного струму Iм = 20 мА, частота n = 103 Гц. Визначити миттєве значення сили струму через t = 10-4 с від його нульового значення.
Дано:                     Розв’язок.
Iм = 20 мА=0,02A          ;  ;
ν = 103 Гц         
t = 10-4 с
I — ?
Відповідь: 11,76 мА.

Дайте, будь-ласка, відповіді на такі запитання:
1.    З чого складається генератор змінного струму?
Складається з двох залізних осердь: зовнішнього кільцеподібного нерухомого і внутрішнього обертового осердя,
2. Що таке резонанс?
Явище різкого зростання сили струму при певній частоті називається електричним резонансом.
3. У чому полягає зміст електричного резонансу?
Резонансна частота обернено пропорційна кореню квадратному з добутку індуктивності   на ємність   кола. Якщо   вимірювати в генрі, а   – в фарадах, то   вимірюватиметься в  .
4.Чому дорівнює повна енергія електромагнітного поля контуру?
Повна енергія   електромагнітного поля контуру дорівнює сумі енергій магнітного й електричного полів:  .

ІІІ. Пояснення нового матеріалу
Трансформатор
Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача. Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах, внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює  , де   – сила струму в лінії,   – опір проводів лінії.
Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач: 1) зменшення опору проводів; 2) використання меншої сили струму. Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення їх поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.
Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю 105кВт по лінії, опір якої   (такий опір має двопровідна лінія передачі завдовжки приблизно 150 км з мідного дроту діаметром 1 см), з втратами на нагрівання проводів лінії    . У цьому випадку потужність має передаватися струмом силою  . Отже, напруга в лінії має бути  .
Цей приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії при такій високій напрузі взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6–25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги (110, 220, 380В і т. д.).
Розглянемо будову і принцип дії трансформатора. В найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя (див. мал. 1.). Одна із обмоток – первинна – вмикається до джерела змінної напруги. Під час проходження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює  . Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також  .
Отже, якщо первинна обмотка має n1 витків, а вторинна n2, то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

Відношення k називають коефіцієнтом трансформації. Коефіцієнт трансформації визначається при холостому ході трансформатора, тобто при розімкнутому колі вторинної обмотки.
При холостому ході (коли до кінців вторинної обмотки не увімкнуто навантаження) в первинній обмотці йде так званий струм холостого ходу. Сила струму I0 холостого ходу мала (становить приблизно 5% номінальної сили струму), внаслідок чого спад напруги в первинній обмотці малий, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола  .Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій у ній ЕРС  . Тому

Коефіцієнтом трансформації трансформатора називається відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході. В підвищувальному трансформаторі коефіцієнт трансформації k<1 (відповідно n2>n1), у знижувальному k>l. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна.
Увімкнемо тепер до вторинної обмотки коло, яке споживає електроенергію, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм I2 (такої самої частоти). Цей струм створює в осерді магнітний потік, спрямований за правилом Ленца назустріч потоку первинної обмотки. Послаблення магнітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоіндукції   в первинній обмотці, що (при постійній  ) викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Але збільшення сили струму у вторинній обмотці супроводжується збільшенням сили струму самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в первинній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д.
Зрештою при постійному навантаженні встановлюється певний магнітний потік Ф, ЕРС індукції   у вторинній обмотці і сила струму І1 у первинній обмотці.
При навантаженні трансформатора відбувається передача енергії із первинної обмотки у вторинну. За законом збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша за потужність у первинному на значення втрат потужності в трансформаторі:  . Оскільки ККД трансформатора дуже близький до 1, то для наближених розрахунків можна знехтувати втратами потужності в трансформаторі і вважати   або  . Звідси знайдемо
.
При збільшенні навантаження понад розрахункове генератор не забезпечує постійності напруги на первинній обмотці, знижується напруга на вторинній обмотці.
У різних галузях електротехніки і на виробництві широко використовуються трансформатори від мініатюрних до трансформаторів величезних розмірів великої потужності.
Для кіл невеликої потужності іноді вторинною обмоткою трансформатора роблять частину первинної обмотки або, навпаки, частину вторинної обмотки – як первинну. В цьому випадку трансформатор називають автотрансформатором (див. мал. 2). Один з контактів автотрансформатора часто роблять рухомим, що дає можливість плавно змінювати вихідну напругу.
IV. Закріплення нового матеріалу.
А зараз ми з вами перейдемо до закріплення сьогоднішнього матеріалу. Ми з вами розв’яжемо декілька цікавих задач.

Задача 1. (Гончаренко. Вправа 6(1)). Трансформатор з коефіцієнтом трансформації k= 10 знижує напругу з 10000 В до 800 В. При цьому у вторинній обмотці йде струм силою І2 = 2 А. Визначити опір вторинної обмотки. Втратами енергії в первинній обмотці знехтувати.

Дано:                Розв’язок.

U1 = 10 000 В
U2 = 800 В          ;  ; 
I2 = 2 А          ;  ;  ;  .
k = 10
R2 — ?         


Відповідь: 100 Ом.


Задача 2. (Гончаренко. Вправа 6(2)). Для трансляції радіопередач застосовують трансформатор, який знижує напругу з 480 до 30 В. Визначити споживану трансформатором потужність, якщо його ККД η = 95 % і до нього ввімкнені n=380 гучномовців, через кожний з яких проходить струм силою I=8мА.




Дано:                 Розв’язок.
U1 = 480 В             Визначимо потужність, споживану гучномовцями:
U2 = 30 В      
η = 95%    З урахуванням ККД трансформатора споживана ним потужність
n = 380              
I2 = 8мА=8•10-3A
P — ?
Відповідь: 96 Вт.

Задача 3. (947) Котушку якої індуктивності треба ввімкнути в коливальний контур, щоб при ємності конденсатора 50 пФ дістати частоту вільних коливань 10 МГц?

Дано:         Розв’язок.
С = 50 пФ.         ;  ;  ;  ;
= 10 Мгц         ; 
L–?                Відповідь: 5,1 мкГн

Задача 4. (969) Котушку індуктивності, що має дуже малий активний опір, ввімкнули в коло змінного струму з частотою 50 Гц. При напрузі 125 В сила струму дорівнює 2,5 А. Яка індуктивність котушки?
Дано:             Розв’язок.
;  ;  ;  ;  ;  ;
;  ;  ; 

Відповідь: 0,16 Гн.
Задача 5. (972) У коло змінного струму з частотою 400 Гц ввімкнули котушку, індуктивність якої 0,1 Гн. Конденсатор якої ємності треба ввімкнути в це коло, щоб настав резонанс?.

Дано:             Розв’язок.
;  ;  ;  ;  ;
;  ; 
Відповідь: 0,1 мкФ


А зараз я задам вам ряд питань, на які ви повинні дати відповідь.
1. На якому принципі ґрунтується робота трансформатора?
Принцип дії трансформатора. Одна із обмоток – первинна – вмикається до джерела змінної напруги. Під час проходження цією обмоткою змінного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює  . Оскільки магнітний потік існує практично лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також  .
2. Що таке коефіцієнт трансформації?
Коефіцієнтом трансформації трансформатора називається відношення напруги на затискачах первинної обмотки до напруги на затискачах його вторинної обмотки при холостому ході.
4.    Що таке автотрансформатор?
Для кіл невеликої потужності іноді вторинною обмоткою трансформатора роблять частину первинної обмотки або, навпаки, частину вторинної обмотки – як первинну. В цьому випадку трансформатор називають автотрансформатором.

V. Підведення підсумків уроку.
Молодці, ви сьогодні дуже добре працювали на уроці, за це я виставлю вам позитивні оцінки у щоденники і у журнал.
А тепер запишіть будь-ласка в щоденники домашнє завдання. Параграф §18 з підручника С.У. Гончаренко. Фізика. 11 клас. Вправа №6. Задача 3, 4.

Задача 3. Знижувальний трансформатор з коефіцієнтом трансформації k= 24 увімкнено в коло з напругою 120 В. Вторинну котушку транс форматора під’єднано до приладу, яким проходить струм силою I=0,5 А. Визначити опір приладу, якщо опір вторинної котушки трансформатора R2 = 2 Ом.


Дано:              Розв’язок.
k = 24          ;  ;  ;  ;
U1 = 120 В          ; 
I2 = 0,5 А
R2 = 2 Ом
Rпр — ?
Відповідь: 8 Ом.




Задача 4. Первинна обмотка силового трансформатора для живлення кіл радіоприймача має n1 = 1200 витків. Яку кількість витків повинна мати вторинна обмотка трансформатора для живлення нитки розжарення кенотрона (необхідна напруга U2= 3,5 В і сила струму I2=1 А), вважаючи, що опір цієї обмотки R2=0.1Ом, а напруга в колі U=120B?

Дано:             Розв’язок.
n1 = 1200          ;  ;  ;
U2 = 3,5 В          ;  ; 
I2 = 1 А
R2 = 0,1 Ом
U1 = 120 В
n2 — ?
Відповідь: 36.




Підпис студента: _______________________
Підпис вчителя: ________________________