Змінний струм. Генератор змінного струму
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
Електромагнітне поле
УРОК 8/20
Тема. Змінний струм. Генератор змінного струму
Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про змінний струм і способи його одержання.
Тип уроку: комбінований урок.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 15 хв. | Самостійна робота № 6 “Електромагнітна індукція. Енергія магнітного поля” |
Демонстрації | 5 хв. | 1. Спостереження осцилограм змінного струму. 2. Модель генератора змінного струму |
Вивчення | 20 хв. | 1. Одержання змінного струму. 2. Генератор змінного струму |
Закріплення вивченого матеріалу | 5 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Одержання змінного струму
На виробництві й у побуті набагато частіше використовують змінний струм, ніж постійний.
O Змінним струмом називають електричний струм, що періодично змінюється за величиною й напрямком.
Змінний струм одержують за допомогою генераторів змінного струму з використанням явища електромагнітної
перпендикулярна до осі обертання рамки). Магнітний потік через рамку Ф = ВScos?, де? – кут між вектором 
нормалі до площі рамки й лініями магнітної індукції.Якщо почати відлік часу в момент, коли вектор напрямлений уздовж ліній магнітної індукції, то початкове значення кута? дорівнює нулю, а залежність кута від часу має вигляд: ? = ?t, тому Ф = BScos? t.
Зміна магнітного потоку призводить до виникнення в рамці ЕРС індукції 
. Відповідно до закону електромагнітної індукції 
Швидкість зміни магнітного потоку? Ф/?t з погляду математики є похідної функції Ф(t), тому 
Таким чином, розглянута рамка є джерелом ЕРС, що виконує гармонічні коливання з амплітудою 
Якщо рамка складається з N витків, то амплітуда ЕРС збільшується в N разів: 
Щоб скористатися отриманою ЕРС, можна прикріпити рухомі кінці рамки до нерухомих контактів зовнішнього електричного кола. Можна, наприклад, забезпечити, щоб металеве кільце від кожного з кінців рамки сковзало по своєму пружному контакту (щітці). Тоді щітки можна розглядати, як полюси джерел струму.
Якщо приєднати до цих полюсів резистор опором R, напруга на резисторі буде збігатися з ЕРС у рамці: 
а сила струму в резисторі буде:
Амплітуда сили струму в цьому виразі 
Період змінного струму 
а його частота 
2. Генератор змінного струму
Зараз існує багато різних типів індукційних генераторів. Але всі вони складаються з одних і тих самих її основних частин. Це, по-перше, електромагніт або постійний магніт, що створює магнітне поле, і, по-друге, обмотка, у якій індукується змінна ЕРС (зазвичай це обертова рамка).
Оскільки ЕРС, що наводять у послідовно з’єднаних витках, додаються, то амплітуда ЕРС індукції в рамці пропорційна числу витків у ній. Вона пропорційна також амплітуді змінного магнітного потоку через кожний виток.
Принцип дії генератора змінного струму такий. Для одержання великого магнітного потоку в генераторах застосовують спеціальну магнітну систему, що складається із двох сердечників, зроблених з електротехнічної сталі. Обмотки, які створюють магнітне поле, розміщені в пазах одного із сердечників, а обмотки, у яких індукується ЕРС, – у пазах іншого. Один із сердечників (зазвичай внутрішній) разом зі своєю обмоткою обертається навколо горизонтальної або вертикальної осі. Тому він називається ротором. Нерухомий сердечник з його обмоткою називають статором. Зазор між сердечниками статора й ротора роблять якомога меншим для збільшення потоку магнітної індукції.
Магнітне поле створює нерухомий постійний магніт. Зрозуміло, можна було б вчинити й навпаки: обертати магніт, а рамку залишити нерухомою.
У великих промислових генераторах обертається саме електромагніт, що є ротором, у той час як обмотки, у яких наводиться ЕРС, покладені в пази статора й залишаються нерухомими. Справа в тому, що підводити струм до ротора або відводити його з обмотки ротора в зовнішнє коло доводиться за допомогою ковзних контактів. Для цього ротор забезпечують контактними кільцями, приєднаними до кінців його обмотки.
Нерухомі пластини – щітки – притиснуті до кілець і забезпечують зв’язок обмотки ротора із зовнішнім колом. Сила струму в обмотках електромагніту, що створює магнітне поле, значно менше за силу струму, що віддає генератор у зовнішнє коло. Тому генерований струм зручніше знімати з нерухомих обмоток, а через ковзні контакти підводити порівняно слабкий струм до обертового електромагніту.
У малопотужних генераторах магнітне поле створює обертовий постійний магніт. У такому випадку кільця й щітки взагалі не потрібні.
Появу ЕРС у нерухомих обмотках статора пояснюють виникненням у них вихрового електричного поля, зумовленого зміною магнітного потоку під час обертання ротора.
Сучасний генератор електричного струму – це велике спорудження з мідних проводів, ізоляційних матеріалів і сталевих конструкцій. За розмірів у кілька метрів найважливіші деталі генераторів виготовляють з точністю до міліметра. Ніде в природі немає такого з’єднання рухомих частин, які могли б породжувати електричну енергію настільки ж безупинно й економічно.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. У чому полягає закон електромагнітної індукції?
2. Які переваги має змінний електричний струм порівняно з постійним?
3. На якому принципі заснована робота генератора змінного струму?
4. З якою метою в генераторі електричного струму використовують ковзні контакти (так звані щітки)?
Другий рівень
1. Чому основним елементом генератора є рамка, що обертається в магнітному полі?
2. Чому в реальному генераторі замість рамки використовують котушку зі значною кількістю витків?
3. Чому за рівномірного обертання рамки в постійному магнітному полі в ній індукується не постійний, а змінний струм?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Назвіть основні типи електростанцій. Наведіть приклади електростанцій різних типів.
2. Чому стандартна частота змінного струму у всіх країнах менша за 100 Гц?
3. Чому не застосовують для освітлення змінний струм із частотою 10 Гц?
4. Яка головна перевага змінного струму перед постійним?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Прямокутна рамка зі сторонами 5 і 8 см обертається навколо вертикальної осі з періодом 0,02 с в однорідному магнітному полі індукцією 0,2 Тл, напрямленою перпендикулярно до осі обертання. Знайдіть максимальну ЕРС, індуковану в рамці, і залежність ЕРС від часу. (Відповідь: 0,63 В)
2. Знайдіть частоту обертання котушки із числом витків N = 20 в однорідному магнітному полі індукцією 0,5 Тл, якщо максимальна ЕРС у котушці 7,85 В, а площа перерізу одного витка 25 см2. (Відповідь: 50 Гц)
3. Рамка площею 80 см2 рівномірно обертається з кутовою швидкістю 20 1/с у магнітному полі індукцією 20 мТл. Амплітудне значення ЕРС у рамці дорівнює 0,64 В. Скільки витків у рамці?
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Змінним струмом називають електричний струм, що періодично змінюється за величиною й напрямком.
– Генератор змінного струму є електромеханічним пристроєм, що перетворює механічну енергію в електричну енергію змінного струму.
Домашнє завдання
1. Підр.: § 18.
2. 3б.:
Рів1 № 9.2; 9.11; 9.12; 9.13.
Рів2 № 9.24; 9.25; 9.26, 9.27.
Рів3 № 9.31, 9.32; 9.33; 9.34.
