Загальна інформація
Застосування
Трансформаторна підстанція
Трансформатор - це електронний елемент, здатний перетворювати змінну напругу. За його допомогою напругу можна перетворити на вищу або нижчу. Трансформатор здебільшого складається з двох котушок, намотаних на залізному осердю. Трансформатори трапляються переважно в системах електропостачання, а також у багатьох технічних пристроях - наприклад, у блоках живлення, потрібних для заряджання смартфонів і ноутбуків.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
Потрібні базові знання про прості електричні кола та про магнетизм (сили між магнітами, магнітні полюси, магнітні поля тощо).
Принцип
Трансформатор складається з польової котушки (первинної котушки) та індукційної котушки (вторинної котушки), які мають спільний замкнений залізний осердя. Якщо до первинної котушки прикласти змінну напругу, то у вторинній котушці індукується змінна напруга
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Учні мають виробити розуміння принципу дії перетворення напруги.
Завдання
Потрібно дослідити, як за допомогою трансформатора можна перетворювати задані змінні напруги на вищі або нижчі та які закономірності при цьому діють.
Інша інформація (3/3)
Технічне значення має й випадок - а саме тоді, коли за допомогою захисного трансформатора треба зменшити небезпеку при поводженні з електричним струмом.
Оскільки закон справджується лише для ідеального трансформатора (на холостому ходу), на уроці варто відповідати дійсності й працювати з наближеною формою .
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | З'єднувальний, прямий, модуль DB | 09401-01 | 1 |
| 3 | З'єднувальний, кутовий, модуль DB | 09401-02 | 6 |
| 4 | З'єднувальний, Т-подібний, модуль DB | 09401-03 | 2 |
| 5 | З'єднувальний, розімкнутий, модуль DB | 09401-04 | 3 |
| 6 | З'єднувальний, кутовий з гніздом, модуль DB | 09401-12 | 2 |
| 7 | Вимикач вкл./викл., модуль DB | 09402-01 | 1 |
| 8 | Котушка 400 витків, модуль DB | 09472-01 | 2 |
| 9 | Котушка 1600 витків, модуль DB | 09472-02 | 1 |
| 10 | U-подібний сердечник | 07832-00 | 1 |
| 11 | Ярмо | 07833-00 | 1 |
| 12 | Затискний штифт | 07834-00 | 1 |
| 13 | З'єднувальний провід, 32 А, 1000 мм, червоний, експериментальний кабель, штекер 4 мм | 07363-01 | 3 |
| 14 | З'єднувальний провід, 32 А, 1000 мм, синій, експериментальний кабель, штекер 4 мм | 07363-04 | 3 |
| 15 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 2 |
| 16 | PHYWE Регульований трансформатор із випрямлячем, RiSU 2019 пост. струм: 12 В, 5 A / змін. струм: 15 В, 5 A | 13540-93 | 1 |
| 17 | Електричні символи для демонстраційної дошки, 12 шт. | 02154-03 | 1 |
| 18 | Струбцина | 02014-00 | 2 |
Складання та виконання
Складання
- Збери дослід відповідно до рисунка, спочатку з однаковими котушками
( ). - Для первинної напруги обери межу вимірювання , а для вторинної напруги - межу вимірювання .
- Міцно притисни U-подібний осердя і ярмо одне до одного за допомогою затискного штифта.
Виконання (1/3)
Увімкни регульований трансформатор і встанови напругу .
Кілька разів замкни й розімкни вимикач. Спостерігай при цьому за вольтметром у вторинному колі (1).
При розімкненому вимикачі обери межі вимірювання ~ і замість напруги подай напругу приблизно .
Замкни вимикач і виміряй напругу (на первинній котушці) та (на вторинній котушці).
Занеси виміряні значення в таблицю.
Виконання (2/3)
- Послідовно збільшуй відповідними кроками. Виміряй щоразу значення і та запиши їх у таблицю.
При розімкненому вимикачі заміни первинну котушку на котушкою на .
Обери межу вимірювання для .
Замкни вимикач і послідовно, як і раніше, збільшуй напругу на первинній котушці. Виміряй і та запиши виміряні значення в таблицю.
При розімкненому вимикачі поміняй котушки місцями; для цього встав трансформатор у схему, повернувши на 180°, так щоб тепер справджувалось і .
Встанови для межу вимірювання .
Замкни вимикач.
Виконання (3/3)
- Обери відповідні значення для . Виміряй щоразу і запиши виміряні значення в таблицю.
Наприкінці зніми ярмо і виміряй для останнього встановленого значення .
Запиши виміряні значення.
Спостереження та опрацювання результатів
Спостереження
Щоразу, коли первинне коло замикають або розмикають, вольтметр на вторинній котушці на короткий час трохи відхиляється праворуч або ліворуч.
Для трансформатора без ярма справджується:
Приклади результатів вимірювань наведено в таблиці 1.
Опрацювання результатів (1/3)
Вимірювальний прилад для у першій частині досліду відхиляється тому, що при вмиканні й вимиканні струму через первинну котушку в ній щоразу наростає чи спадає магнітне поле, яке пронизує також вторинну котушку. Короткочасні зміни магнітного поля спричиняють у вторинній котушці короткочасні напруги індукції, які, своєю чергою, і спричиняють відхилення вольтметра на вторинній котушці.
Цим пояснено принципову дію трансформатора. Він складається з польової котушки (первинної котушки) та індукційної котушки (вторинної котушки), які мають спільний замкнений залізний осердя. Якщо до первинної котушки прикласти змінну напругу, то у вторинній котушці індукується змінна напруга
Опрацювання результатів (2/3)
Як показує дослід, між числами витків і напругами існує закономірний зв'язок. З таблиці 1 після утворення відношень і випливає:
;
отже, напруги співвідносяться приблизно як числа витків.
Це з доброю точністю підтверджує закон:
;
який справджується для ідеального трансформатора.
Трансформатор працює ефективно лише тоді, коли магнітний потік використано якомога повніше.
Опрацювання результатів (3/3)
Дослід показує, що при задана напруга підвищується. Тоді справджується: .
При вона знижується. Тоді справджується: .
Обидва випадки трапляються при передаванні електроенергії на далекі відстані.
