Презентация на тему: "Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток."

Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток.
Учитель физики
МОУ Новобелоярской СШ
Ирюков Ю.И.
Физика 11 класс
Учебник Г.Я. Мякишев М.А. Петрова

Цели урока
1.Образовательная:
Сформировать у учащихся понятие вынужденные электромагнитные колебания.
Сформировать у учащихся представление о переменном электрическом токе его физические характеристики, описывающие его как физический процесс;
Рассмотреть основные особенности устройства и работы генераторов переменного тока.
Раскрыть основные понятия темы.
2. Развивающая: 
Развивать у учащихся умение применять полученные знания о переменном токе в практическом применении в быту, технике и на производственной практике;
развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.
3.Воспитательная:
Привить уважение к науке как силе, преобразующей общество и человека на основе инновационных технологий.
Воспитывать у учащихся чувство требовательности к себе, дисциплинированность.
Расширить рамки окружающего мира учащихся.

Повторение

Сегодня мы продолжим изучать электромагнитные колебания.
Давайте вспомним, что мы изучали на прошлых уроках.

 
1. Какие колебания называются электромагнитными?
Ответ учащихся: Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, сопровождающиеся взаимными превращениями энергии электрического и магнитного полей.
2. Что называется колебательным контуром? Что называется идеальным колебательным контуром?
Ответ учащихся: Замкнутая электрическая цепь, состоящая из конденсатора емкости (С) и катушки индуктивности (L), называется колебательным контуром. Если сопротивление проводов равно 0, то контур называется идеальным.
3. Какие колебания называются гармоническими?
Ответ учащихся: Периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса или косинуса в зависимости от времени, называются гармоническими колебаниями.
4. Какие колебания называют свободными?
Ответ учащихся: Свободными колебаниями, называют колебания в системе, которые возникают после выведения ее из положения равновесия.
5. Какие колебания называют вынужденными?
Ответ учащихся: Вынужденными колебаниями называют колебания в цепи под действием внешней периодической электродвижущей силы.
6. Что такое собственная циклическая частота колебательной системы?
Ответ учащихся: Величина ω=2πν, равная числу колебаний за 2π секунд, называется собственной циклической частотой.

Сегодня мы продолжим изучать электромагнитные колебания.
Давайте вспомним, что мы изучали на прошлых уроках.

 
7. Что называется периодом колебаний?
Ответ учащихся: Период колебаний – это время, в течение которого совершается одно полное колебание.

8. Что называется амплитудой колебаний?
Ответ учащихся: Наибольшее значение колеблющейся величины называется амплитудой колебаний.

9. Что такое фаза колебаний?
Ответ учащихся: Аргумент косинуса или синуса в уравнении φ =(ω0t+ φ0) называется фазой колебаний.

10. Запишите формулу расчета энергии электрического поля. Назовите величины, которые входят в данную формулу.
Ответ учащихся: W=q2/(2C) , где W - энергия электрического поля, С - электроемкость конденсатора, q- величина заряда.
11. Запишите формулу, по которой рассчитывается энергия магнитного поля. Назовите величины, которые входят в данную формулу.
Ответ учащихся, W=LI2/2
где W - энергия магнитного поля, L -индуктивность проводника, - сила тока.

12. Запишите формулу полной энергии.
Ответ учащихся:
Уравнение колебаний груза на пружине имеет вид:
W=LI2/2+ q2/(2C)
13 Определите период и частоту колебаний

Электрическая энергия обладает неоспоримым преимуществом перед всеми другими видами энергии.
В электростатических машинах, гальванических элементах, аккумуляторах ЭДС с течением времени не меняла своего направления. В такой цепи ток шёл всё время, не меняя ни величины, ни направления и поэтому назывался постоянным.

Электрическая энергия обладает неоспоримым преимуществом перед всеми другими видами энергии.
В электростатических машинах, гальванических элементах, аккумуляторах ЭДС с течением времени не меняла своего направления. В такой цепи ток шёл всё время, не меняя ни величины, ни направления и поэтому назывался постоянным.

Вынужденные
электромагнитные колебания.
Незатухающие вынужденные электромагнитные колебания имеют гораздо большее практическое значение, чем вынужденные механические колебания.


Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника.

Вынужденные электромагнитные колебания обеспечивают работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводят в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улицах, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п.

Переменный ток
Переменный ток в обычной осветительной цепи квартиры, в электродвигателях станков, применяемых на заводах и фабриках, представляет собой вынужденные электромагнитные колебания. При этом периодически меняется по гармоническому закону напряжение на концах цепи, и это вызывает гармонические колебания силы тока.
 
Переменный ток — ток, сила которого изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Принцип действия генератора
переменного тока.

Простейшим генератором переменного тока является проводник в виде рамки, вращающейся вокруг оси в магнитном поле между полюсами постоянного магнита или электромагнита (рис.6.11).

Пусть в однородном магнитном поле с индукцией   находится замкнутая рамка, имеющая N витков. При вращении рамки с постоянной угловой скоростью ω в ней возникает ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону,— синусоидальная ЭДС индукции.
Для соединения рамки с внешней частью цепи используются контактные кольца, укреплённые на той же оси, на которой укреплена вращающаяся рамка. Кольца изолированы от оси и друг от друга. К ним припаиваются концы рамки, а над каждым кольцом устанавливаются неподвижные пружинящие скользящие контакты — щётки.
В результате в цепи под действием ЭДС индукции, изменяющейся с течением времени по гармоническому закону, возникнут вынужденные электромагнитные колебания.
Запишем выражение для магнитного потока, пронизывающего один виток рамки
(рис. 6.12):



Ф = BScos α.

При t = 0 угол α = 0, при t ≠ 0 угол α = ωt.
C учётом этого закон изменения магнитного потока имеет вид
Φ(t) = BScos ωt.
По закону электромагнитной индукции
ei =Φ ,(t) = (BScos ωt) , = BSω sin ωt.
где    em = BSω — амплитуда ЭДС индукции ei в одном витке.







Если вращающаяся рамка состоит из N витков, то в каждом из них возникнет ЭДС индукции. В силу того что между собой эти ЭДС соединены последовательно, то результирующая ЭДС получится в N раз больше, чем ЭДС в одном витке. Для N витков можно записать:
ei = BSNω sin ωt.

Графики, выражающие зависимости Ф(t) и ei(t), приведены на рисунке 6.13.

Квазистационарный ток.
При изменении напряжения на концах цепи электрическое поле не меняется мгновенно во всей цепи. Изменения поля распространяются хотя и с очень большой, но не бесконечно большой скоростью. Однако если время распространения изменения поля в цепи много меньше периода T колебаний напряжения, можно считать, что электрическое поле во всей цепи сразу же меняется при изменении напряжения на концах цепи. При этом сила тока в данный момент времени имеет практически одно и то же значение во всех сечениях неразветвлённой цепи. Такой медленно меняющийся переменный ток называют квазистационарным.
Период колебаний квазистационарного тока должен быть много больше времени распространения в цепи электромагнитных возмущений. При стандартной частоте промышленного переменного тока ѵ = 50 Гц длина цени должна быть много меньше расстояния: l ≪ 6000 км. Поэтому во всех случаях, кроме передачи электроэнергии по проводам на очень большие расстояния, промышленный ток можно считать квазистационарным.

Период колебаний квазистационарного тока должен быть много больше времени распространения в цепи электромагнитных возмущений.


При стандартной частоте промышленного переменного тока ѵ = 50 Гц длина цени должна быть много меньше расстояния: l ≪ 6000 км. Поэтому во всех случаях, кроме передачи электроэнергии по проводам на очень большие расстояния, промышленный ток можно считать квазистационарным.

Колебания напряжения можно легко обнаружиться с помощью осциллографа. Если на вертикально отклоняющиеся пластины осциллографа подать напряжение от сети, то временная развертка на экране будет представлять собой синусоиду. Зная скорость движения луча по экрану в горизонтальном направлении (она определяется частотой пилообразного напряжения), можно определить частоту колебаний






Частота переменного тока – это число колебаний в 1 секунду.

Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в противоположную. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира.
В США частота равна 60 Гц.

В дальнейшем мы будем изучать вынужденные квазистационарные электромагнитные колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по синусоидальному или косинусоидальному закону:
u = Um sin ωt
или
u = Um cos ωt.
Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае
i = Im sin(ωt + φc),
где φc — разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

Вопросы:
1. Что называют вынужденными электромагнитными колебаниями?
2. Что представляет собой переменный ток?
3. Опишите принцип действия генератора переменного тока.
4. Почему поток вектора магнитной индукции при вращении рамки в однородном магнитном поле меняется по гармоническому закону?
5. Как получить ЭДС индукции в рамке, помещённой в однородное магнитное поле?
6. C какой частотой изменяются сила тока и напряжение в электрической сети?

Вопросы для обсуждения:
1. Проанализируйте графики зависимости Ф(t) и ei(t), показанные на рисунке 6.13.
2. Почему для освещения квартир не применяют переменный ток с частотой 10 — 15 Гц?
3. Для чего на гидроэлектростанциях используют генераторы, роторы которых имеют несколько пар полюсов (рис. 6.14)?

Пример решения задачи
Сколько витков имеет рамка площадью 500 см2, если при её вращении с частотой 20 Гц в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл амплитуда ЭДС равна 63 В?

Упражнения:
1. Рамка площадью 3 ∙ 103 см2 имеет 200 витков и вращается в однородном магнитном поле с индукцией 0,15 мТл. Определите период обращения рамки, если в ней возникает ЭДС индукции с амплитудой 1,5 В.
2. В рамке, равномерно вращающейся в магнитном поле, амплитуда ЭДС индукции равна 100 В. Определите мгновенные значения ЭДС, соответствующие отклонению рамки (в процессе её вращения) от нейтрального положения па углы:
а) 30°;
б) 60°.
3. По графику определите период, частоту и амплитуду колебаний силы тока.

Упражнения: