Виробництво, передавання та використання енергії електричного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема уроку: Виробництво, передавання та використання енергії електричного струму

Мета уроку: ознайомити учнів з будовою, принципом дії та призначенням генератора змінного струму та трансформатора; пояснити промислові способи виробництва та передавання електричної енергії на великі відстані з мінімальними втратами; ознайомити учнів з одними із основних напрямків науково - технічного прогресу - розвитком енергетики та історією її розвитку.

Тип уроку: комбінований.

Обладнання: комп'ютер, проектор, мультимедійна дошка, комп'ютерна презентація.

План - схема уроку

Хід уроку

І. Організаційний етап

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

Фронтальне опитування

1. Що називають магнітним потоком? ( Магнітним потоком крізь поверхню називають фізичну величину, яка визначається добутком проекції вектора магнітної індукції на нормаль до поверхні і площею цієї поверхні. )

2. Яке явище називається самоіндукцією? ( Явище виникнення індуктивного струму в колі внаслідок зміни струму в ньому називається самоіндукцією. )

3. Яка фізична величина називається індуктивністю? (Індуктивність - це фізична величина, яка визначається ЕРС самоіндукції, що виникає в контурі у разі зміни сили струму на 1А за 1с. )

4. Чому дорівнює енергія поля котушки зі струмом? ( Енергія магнітного поля котушки індуктивності дорівнює половині добутку її індуктивності на квадрат сили струму в ній. )

5. Що таке змінний струм? (Змінний струм - це, по суті, вимушені коливання електричних зарядів у провіднику під дією прикладеної змінної ЕРС.)

ІІІ. Повідомлення теми, мети й завдань уроку.

Учитель повідомляє тему уроку, пропонує учням ознайомитися з планом її вивчення, записаним на дошці. Формулюють мету уроку.

План вивчення теми

1. Будова найпростішого генератора.

2. Будова промислового генератора.

3. Будова трансформатора.

4. Виробництво і використання електричної енергії. ( Доповідь учня)

5. Передавання енергії. ( Доповідь учня)

ІV. Мотивація навчальної діяльності.

Електрична енергія має безперечні переваги перед усіма іншими видами енергії її можна передавати по проводах, на величезні відстані з порівняно малими втратами, зручно розподіляти між споживачами. А головне, цю енергію за допомогою досить простих пристроїв легко перетворити в будь-які інші види: механічну, внутрішню (нагрівання тіл), енергію світла і т.д.

Змінний струм має ту перевагу перед постійним, що напругу і силу струму можна в дуже широких межах перетворювати (трансформувати) майже без втрат енергії. Такі перетворення потрібні в багатьох електро- і радіотехнічних пристроях. Але особливо велика потреба в трансформації напруги і струму виникає, коли електроенергія передається на великі відстані.

На цьому уроці ми розглянемо пристрої , які виробляють цю енергію і як можна передавати її на великі відстані.

V. Сприйняття й первинне осмислення нового матеріалу.

1. Будова найпростішого генератора.

Електричний струм виробляється в генераторах -- пристроях, що перетворюють енергію того чи іншого виду в електричну енергію. До генераторів належать гальванічні елементи, електростатичні машини, термобатареї, сонячні батареї і т. ін. Досліджуються можливості створення принципово нових типів генераторів. Наприклад, розробляються так звані паливні елементи, в яких енергія, що виділяється внаслідок реакції водню з киснем, безпосередньо перетворюється в електрику.

Галузь застосування кожного з перелічених видів генераторів електроенергії визначається їх характеристиками. Так, електростатичні машини створюють високу різницю потенціалів, але мають великий внутрішній опір і тому не здатні створити в колі значну силу струму. Гальванічні елементи можуть дати великий струм, але тривалість їх дії невелика.

Основну роль у наш час відіграють електромеханічні індукційні генератори змінного струму. У цих генераторах механічна енергія перетворюється в електричну. їх дія ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Такі генератори мають порівняно просту будову й дають змогу добувати великі струми при досить високій напрузі.

На малюнку зображено найпростішу схему генератора змінного струму. У рамці, яка обертається в магнітному полі, виникає змінна ЕРС індукції. Якщо коло замкнути, то в ньому проходитиме змінний струм. Із зовнішнім колом рамка з'єднується кільцями, закріпленими на одній осі з рамкою. За один оберт рамки полярність щіток змінюється двічі. Щоб збільшити напругу, яку знімають з клем генератора, на рамки намотують не один, а багато витків.

2. Будова промислового генератора.

У великих промислових генераторах обертається саме електромагніт, який є ротором, а обмотки, в яких наводиться ЕРС, укладені в пазах статора і залишаються нерухомими. Справа в тому, що підводити струм до ротора чи відводити його з обмотки ротора в зовнішнє коло доводиться за допомогою ковзних контактів. Для цього до ротора приладнують контактні кільця, приєднані до кінців його обмотки (мал.2). Нерухомі пластини -- щітки -- притиснуті до кілець, зв'язують обмотку ротора із зовнішнім колом. Сила струму в обмотках електромагніту, який створює магнітне поле, значно менша `від сили струму, що його віддає генератор у зовнішнє коло. Тому струм, який генерується, зручніше знімати з нерухомих обмоток, а через ковзні контакти підводити порівняно слабкий струм до обертового електромагніту. Цей струм виробляється - окремим генератором постійного струму (збудником), встановленим на тому самому валу.

У малопотужних генераторах магнітне поле створюють обертові постійні магніти. Тоді кільця і щітки взагалі не потрібні. Виникнення ЕРС у нерухомих обмотках статора пояснюється збудженням у них вихрового електричного поля, що виникає внаслідок зміни магнітного потоку під час обертання ротора.

Сучасний генератор електричного струму -- це велика споруда з мідних проводів, ізоляційних матеріалів і сталевих конструкцій. Розміри важливіших деталей досягають кількох метрів, але виготовляють ці деталі з точністю до міліметра. У природі немає такого поєднання рухомих частин, які могли б виробляти електричну енергію так економічно і неперервно.

Електрогенератори, які працюють з гідротурбінами, називають гідрогенераторами, а ті, що працюють з паровими турбінами, - турбогенераторами.

3. Будова трансформатора.

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає).

Трансформатор -- це прилад, призначений для перетворення параметрів змінного струму, що складається із виготовленого з м'якого феромагнетики осердя замкненої форми, на якому встановлено дві обмотки - первинну і вторинну.

Уперше трансформатор сконструював у 1878 році російський вчений П. М. Яблочков, а на початку XX ст. його вдосконалив професор С.М. Усатий і професор Київського університету М. Й. Доліво - Добровольський.

Трансформатор складається із замкненого осердя з феромагнетику, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток з дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують «навантаження», що споживає енергію, називають вторинною (мал.).

В основу роботи трансформатора покладено явище електромагнітної індукції. Розглянемо принцип дії трансформатора. Нехай на вхід трансформатора подається змінна напруга U1. В осерді трансформатора виникає змінний магнітний потік, який пронизує як первинну, так і вторинну обмотки трансформатора. У первинній і вторинній обмотках відповідно виникають ЕРС самоіндукції:

е1 = - N1ДФ\Дt і е2 = - N2ДФ\Дt

де N1 і N2 - кількість витків первинної і вторинної обмоток.

Визначимо напруги на вході і виході трансформатора:

U1 = I1R1 - е1 = I1R1 + N1ДФ\Дt і U2 = I2R2 - е2 = I2R2 + N2ДФ\Дt

де R1і R2 -- відповідно опори первинної і вторинної обмоток трансформатора; I1 і I2 -- сили струмів, які проходять по первинній і вторинній обмотках.

Розглянемо випадок, коли вторинна обмотка розімкнена, тобто І2 = 0 (холостий хід). Технічні трансформатори конструюють так, щоб виконувалась умова I1R1 «е1, тобто обмотки трансформатора мають невеликий активний опір, але велику індуктивність. Поділивши почленно одне на одне рівняння напруг, отримаємо

U1\ U2 = N1 \ N2

Напруга на кінцях первинної обмотки трансформатора так відноситься до напруги на кінцях його вторинної обмотки, як кількість витків первинної обмотки відноситься до кількості витків вторинної обмотки.

Це відношення називають коефіцієнтом трансформації k:

k = N1 \ N2

Якщо к > 1, то трансформатор буде знижувальним, якщо к < 1 -- підвищувальним.

Трансформатор перетворює змінний електричний струм так, що відношення сили струму до напруги приблизно однакове в первинній і вторинній обмотках.

За допомогою трансформатора знижують значення сили струму і збільшують напругу під час передавання електричної енергії. Це сприяє зниженню теплових втрат . Враховуючи, що потужність сили струму визначається добутком напруги і сили струму, таке зменшення сили струму не змінить переданої потужності.

4. Виробництво і використання електричної енергії. ( Доповідь учня)

Електроенергію виробляють на великих і малих електричних станціях в основному за допомогою електромеханічних індукційних генераторів. Є два основних типи електростанцій: теплові й гідроелектричні. Ці електростанції відрізняються характером двигунів, що обертають ротори генераторів.

На теплових електростанціях джерелом енергії є паливо: вугілля, газ, нафта, мазут, горючі сланці. Ротори електричних генераторів обертаються паровими й газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння. Найбільш економічними є великі теплові паротурбінні електростанції (скорочено ТЕС). Більшість ТЕС нашої країни використовує як паливо вугільний пил. На вироблення 1 кВт- год електроенергії витрачається кілька сотень грамів вугілля. У паровому котлі понад 90 % енергії, що виділяється паливом, передається парі. У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом генератора. Парові турбогенератори досить швидкохідні: кількість обертів дорівнює кільком тисячам за хвилину.

ККД теплових двигунів збільшується із зростанням початкової температури робочого тіла. Тому пару, що надходить у турбіну, доводять до високих параметрів: температуру -- майже до 550° і тиск -- до 26 МПа. Коефіцієнт корисної дії ТЕС досягає 40 %. Причому більша частина енергії втрачається з гарячою відпрацьованою парою.

Спеціальні теплові електростанції, так звані теплоелектроцентралі (ТЕЦ), дають змогу значну частину енергії відпрацьованої пари використовувати на промислових підприємствах і для побутових потреб (нагрівання води для опалення і гаряче водопостачання). В результаті ККД ТЕЦ досягає 60--70 %. Тепер ТЕЦ країни дають близько 40 % усієї електроенергії і забезпечують електроенергією і теплом понад 800 міст.

На гідроелектростанціях (ГЕС) для обертання роторів генераторів використовується потенціальна енергія води. Ротори електричних генераторів обертаються гідравлічними турбінами. Потужність станції залежить від різниці рівнів води (напору) і від маси води, яка проходить через турбіни за секунду (витрата води).

Гідроелектростанції дають близько 20% усієї електроенергії, що виробляється в нашій країні.

Дедалі більшого значення в енергетиці набувають атомні електростанції (АЕС). Тепер АЕС нашої країни дають близько 15,7 % усієї електроенергії.

Основний споживач електроенергії -- промисловість; на неї припадає близько 70 % енергії. Чималим споживачем є транспорт. Усе більше залізничних ліній переводиться на електричну тягу. Про застосування електроенергії для освітлення жител і в побутових електроприладах знає кожний.

Більша частина електроенергії тепер перетворюється в механічну енергію. Майже всі механізми в промисловості приводяться в рух електричними двигунами. Вони зручні, компактні, дають змогу автоматизувати виробництво.

Близько третини електроенергії, що споживається промисловістю, використовують з технологічною метою (для електрозварювання, електричного нагрівання і плавлення металів, електролізу тощо).

Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

5. Передавання енергії. ( Доповідь учня)

Споживачі електроенергії є всюди. А виробляється вона порівняно в небагатьох місцях, поблизу джерел паливних і водних ресурсів. Консервувати електроенергію у великих масштабах немає можливості. Її треба використовувати відразу після вироблення. Тому виникає потреба передавати електроенергію на великі відстані. Але таке передавання пов'язане із значними втратами. Адже електричний струм нагріває проводи лінії електропередачі. Згідно із законом Джоуля-Ленца енергія, яка витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою

Q = I2 Rt

де R -- опір лінії. При великій довжині лінії передавання енергії взагалі може бути економічно невигідним. Істотно зменшити опір лінії практично дуже важко. Тому доводиться зменшувати силу струму.

Оскільки потужність струму пропорційна добутку сили струму на напругу, то, щоб зберегти передавану потужність, треба підвищити напругу в лінії передачі. Причому, чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати вищу напругу. Так, у високовольтній лінії передачі Волзька ГЕС -- Москва використовують напругу 500 кВ. Але генератори змінного струму будують на напруги, що не перевищують 16--20 кВ, бо використання вищої напруги вимагало б складніших спеціальних заходів для ізоляції обмоток та інших частин генераторів.

Тому на великих електростанціях ставлять підвищувальні трансформатори. Трансформатор підвищує напругу в лінії у стільки разів, у скільки зменшує силу струму.

Перед безпосереднім використанням електроенергії в двигунах електропривода верстатів, в освітлювальній мережі та для іншої мети напругу на кінцях лінії треба знизити. Для цього застосовують знижувальні трансформатори. Причому звичайно знижують напругу і відповідно збільшують силу струму кількома етапами. На кожному етапі напруга стає все меншою, а територія, що охоплюється електричною мережею, все ширшою. Схему передавання й розподілу електроенергії наведено на малюнку.

При дуже високій напрузі між проводами починається коронний розряд, що призводить до втрат енергії. Допустима амплітуда змінної напруги має бути такою, щоб при заданому поперечному перерізі проводу втрати енергії внаслідок коронного розряду були незначними.

Електричні станції ряду областей країни, об'єднані високовольтними лініями передач, утворюють загальну електричну мережу, до якої приєднані споживачі. Таке об'єднання називається енергосистемою. Енергосистема дає змогу згладити «пікові» навантаження у ранкові й вечірні години і безперебійно подавати енергію споживачам незалежно від місця їх розташування. Тепер майже вся територія нашої країни забезпечується електроенергією об'єднаними енергетичними системами.

VІ. Закріплення нового матеріалу.

· Для чого призначений трансформатор? Опишіть його будову.

· Чи змінює трансформатор частоту змінного струму?

· Чому електроенергію передають на великі відстані під високою напругою?

VІІ. Підбиття підсумків уроку.

VІІІ. Домашнє завдання.

Ш Прочитати § 18,19

Ш Заповніть таблицю за допомогою Інтернету або довідкової літератури.

Размещено на Allbest.ru