Скрыть/Показать меню
Об учебниках Решаем Поиграем? Смотри... Используй на уроке! Анимации по физике Физика - малышам! Эксперимент Это интересно! Астрономия Есть идея! Образование вне политики Есть вопросы? Перечитаем... Репетитор Анекдот в тему Физическая библиотека
 
 
  [Используй на уроке!, Анимации] : Виртуальная лабораторная работа. Изучение работы трансформатора
| Автор Автор: admin | Дата Дата: 19.11.2011, 20:04 | Просмотров Просмотров (17994) | Печать Печать

Виртуальная лабораторная работа. Изучение работы трансформатора

Школьная программа по физике предполагает знание таких тем, как "Преобразование переменного тока" и "Трансформатор".  Однако уровень владения учащимися понятиями темы четко не определен, размыт. Так в белорусской программе по физике издания 2009г. сказано: учащийся должен... знать и понимать смысл физического понятия "трансформатор", владеть решением задач на определение коэффициента трансформации.

Непонятно, почему  в рамках темы нет никаких требований на более низком уровне представления. Неясно, что должен уметь учащийся по теме "трансформатор"?

Казалось бы, что среди простейших требований к учащимся (на уровне представления) должны были бы быть:

определение трансформатора, схема, условное обозначение на электрических схемах, представление о строение простейшего трансформатора.

На уровне умения от учащихся можно потребовать умение описывать и объяснять принцип работы  трансформатора, а также основные режимы работы трансформатора: (холостой ход, рабочий ход, режим короткого замыкания).

На уровне "владеть" - практическими умениями решать задачи с использованием формул, характеризующих работу идеального трансформатора:

формулы-определения коэффициента трансформации для трансформатора напряжения: k = N1 / N2 ;

связи числа витков в обмотках с напряжением на них: N1 / N2 = U1 / U2 ;

связи между числом витков и токами в обмотках нагруженного трансформатор (рабочий режим): N1 / N2 = I2 / I1 ;

КПД трансформатора: η = (P2 / P1)∙ 100% , где P2 и P1 - мощности на выходе (передаваемая во внешнюю цепь) и входе трансформатора соответственно.

Подытоживая, заметим, удивительно, что ничего это нет в современной белорусской программе по физике. А ведь знание этих закономерностей требуется как для решения задач из самого школьного учебника, так и на централизованном тестировании по физике (ЦТ). (Из приведенного примера хорошо видно, что ни о каком качественном образовании говорить не приходится, факт его снижения слишком очевиден!)

Надеемся, закрепить и упрочить знание темы "Трансформатор" поможет виртуальная лабораторная работа.

 

Управление лабораторной работой:

  • С помощью стрелок можно изменять число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
  • С помощью левого выключателя подается напряжение на первичную обмотку трансформатора.
  • С помощью правого выключателя вторичная обмотка подключается к нагрузке.
  • Для изменения нагрузки на вторичную обмотку используется реостат. Перемещение ползунка в крайнее верхнее положение позволяет наблюдать режим короткого замыкания.
  • В верхней части флэш-ролика расположены два амперметра и два вольтметра для съема показаний силы тока и напряжения с первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Проблема взаимодействия катушек трансформатора

Во всех учебниках найдем примерно следующее описание основ работы трансформатора. Магнитное поле, созданное переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию стержня практически без потерь (без рассеивания) пронизывает витки вторичной обмотки. Поскольку магнитный поток во вторичной обмотке изменяется со временем, то согласно закону Фарадея в ней возбуждается ЭДС индукции. И если не обращать внимание на потери магнитного потока в стержне, то фарадеевская ЭДС индукции, что возникает в каждом витке вторичной обмотки, будет такой же, как и ЭДС индукции в каждом витке первичной обмотки (на самом деле в первичной обмотке ЭДС индукции является ЭДС самоиндукции - В.Ш. Эта неточность имеется и в белорусском учебнике физики издания 2010г.)  
Виртуальная лабораторная работа. Изучение работы трансформатора
Читаем в учебниках подобные рассуждения о принципе работы трансформатора  и, казалось бы все ясно. Но посмотрим чуть подробнее и глубже. Две катушки находятся в одинаковых условиях в общем магнитном поле. Пусть катушки будут идеальные (сопротивление  равно нулю) и совершенно одинаковые, т.е. имеют одинаковое число витков, а значит и ЭДС в них одинаковые. (Только ЭДС первой катушки называется ЭДС самоиндукции, а ЭДС второй катушки ─ просто ЭДС индукции.) Замкнем накоротко выводы второй катушки. Очевидно, по ней потечет такой же переменный ток как в первичной катушке благодаря общему сердечнику, который сосредотачивает в себе магнитное поле, не дает ему "расползаться".  Этот ток, в свою очередь, вызовет появление своего, нового магнитного поля, естественно, такого же по величине как поле первой катушки. Но ЭДС индукции возникшего поля второй катушки имеет знак, противоположный знаку ЭДС внешнего источника, подсоединенного к первой катушке. А коли так, индукционный ток во второй катушке будет направлен противоположно току первой катушки. Магнитное поле второй катушки вычитается из магнитного поля первой катушки, и в сумме они дают нуль. Да, да, именно нуль! Так происходит в любом трансформаторе. Энергия передается из первой катушки во вторую, но при этом в пространстве, окружающем обе катушки, нет никакого поля: ни магнитного, ни электрического. (В реальных трансформаторах магнитное поле все-таки есть. Но это так называемое поле рассеяния, возникающее из-за того, что катушки всегда немного неодинаковы.) Как же все-таки взаимодействуют катушки? Какова причина возникновения ЭДС и тока во вторичной катушке? Ведь ток во второй катушке все-таки протекает. Причем ток ─ это объективная величина, его можно измерить амперметром!

Итак, еще раз. Получается, если рассуждать, пользуясь понятиями ЭДС, силы тока, магнитной индукции, то иначе как чудом только что рассмотренную ситуацию не назовешь. Действительно, вторая катушка замкнуто накоротко и полностью изолирована от внешнего мира. В окружающем ее пространстве ничего нет: ни электрического, ни магнитного поля. Тем не менее, ЭДС в ней существует, и ток через нее протекает!

Вот такая пока непреодолимая трудность возникает при попытке объяснения взаимодействия катушек трансформатора. Хоть явных нарушений физических законов тут не видно, но должна быть какая-то причина появления ЭДС и тока во второй катушке.

А как вы, читатели, полагаете можно было бы разрешить данную проблему?

            Ждем ваших комментариев!

            Р.S. Продолжение будет...

Использовать on-line: трансформатор

Скачать:  transformer.swf [16.39 Kb] (cкачиваний: 1299)


Не нравится ( - ) +42 Нравится ( + )
Ключевые слова Ключевые слова:

Похожие новости
  • Физика 11 (2009). Решение упражнения №9
  • Контрольная работа №2 по теме: «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ и ВОЛНЫ». 11 кла ...
  • Физика 8 (2010). Решение упражнения №22
  • Знаменитый трансформатор Тесла: руководство по проектированию и строительст ...
  • Кроссворд "Электромагнитная индукция"


  • Комментарий #1
    :: Автор Автор: anat :: Дата 20.11.2011, 11:07 :: Место жительства: -- :: ICQ: --
    anat

    Зарегистрирован:
    28.04.2010

    Новостей: 0
    Комментариев: 17
    Звание: новичок
    --------------------
    E-mail: anationa@mail.ru
    вторая катушка замкнуто накоротко и полностью изолирована от внешнего мира

    Насчет изоляции вы погорячились. Вторая катушка все-таки связана через сердечник с первой.
    При таких идеальных рассуждениях мы получаем, что ток в первой катушке равен бесконечности, а значит мы получаем неопределенность по мощности (бесконечность умноженная на ноль). Но если смотреть хронологически, то сначала ток достигает бесконечности и, следовательно, мгновенно сгорает обмотка. А вообще, есть над чем голову поломать, хотя думаю ничего неразрешимого здесь нет.
    Я тоже задумался над этой темой в учебнике. Дана она там не бог весть как. Не даны ответы на многие вопросы. Кое-что я написал у себя на сайте. Если хотите, почитайте:
    Трансформаторы Школьная физика: баги

    Комментарий #2
    :: Автор Автор: admin :: Дата 20.11.2011, 11:38 :: Место жительства: Minsk :: ICQ: 331699723
    admin

    Зарегистрирован:
    11.03.2010

    Новостей: 628
    Комментариев: 523
    Звание: заслуженный пользователь
    --------------------
    E-mail: artur.7by@gmail.com
    Цитата: anat
    вторая катушка замкнуто накоротко и полностью изолирована от внешнего мира
    Насчет изоляции вы погорячились. Вторая катушка все-таки связана через сердечник с первой.

    Согласен, принимается. Но это не разрешает проблему взаимодействия катушек до конца. Наличие сердечника (магнитопровода) приводит к тому же казусу: есть сердечник, но поля нет! Сердечник нужен как раз для того ...чтобы исчезло результирующее поле! Повторю, эта роль сердечника не снимает проблему...
    Что касается катушек, относительно которых мы договорились, что они идеальны, т.е. сопротивление проводников, из которых они намотаны, или равны нулю, или настолько малы, что ими можно пренебречь. Ток не достигнет бесконечности и обмотка не сгорит, т.к. электрическая энергия не будет превращаться во внутреннюю. Это просто будет идеальный трансформатор без потерь энергии. Так что проблема не снята...
    Попробую еще раз. Все эти ограничения для катушек, их идеализация нужна фактически только для усиления противоречия, обострения проблемы взаимодействия катушек. Чтобы не было потерь энергии и поля при сложении в точности компенсировались, иными словами, результирующее магнитное поле в точности равнялось 0.
    Проблема связана именно с непротиворечивым объяснением работы трансформатора. Сами трансформаторы, успешно работают, как известно, более сотни лет.


    ------------------

    Комментарий #3
    :: Автор Автор: Louisa :: Дата 16.12.2011, 02:44 :: Место жительства: -- :: ICQ: --
    Louisa

    Зарегистрирован:
    --

    Новостей: 0
    Комментариев: 0
    Звание: гость
    --------------------
    E-mail:
    Hot damn, lkoiong pretty useful buddy.

    Комментарий #4
    :: Автор Автор: Alex :: Дата 4.01.2012, 10:00 :: Место жительства: -- :: ICQ: --
    Alex

    Зарегистрирован:
    --

    Новостей: 0
    Комментариев: 0
    Звание: гость
    --------------------
    E-mail:
    Я давно задумался над работой трансформатора, и не нашел ответа.
    Напишу лишь один опыт.
    Беру трансформатор, изображен на рисунке выше, наматываю третью обмотку на первичку и вторичку поверх.
    По законам физики тока в третей обмотке не должно быть.
    Если нагрузить вторичку измерить чуствительным осцилографом на третей обмотке, то найдем на ней ток. Чем больше нагрузка на вторичке, тем больше получим тока на третей обмотке. Самое интересное, что частота сигнала на третей обмотке в 2 раза выше чем та, что на первичке.
    Опит делал на различних частотах от 50 герц до сотен килогерц. Результат тотже.

    Комментарий #5
    :: Автор Автор: Hebrin :: Дата 19.06.2012, 08:46 :: Место жительства: -- :: ICQ: --
    Hebrin

    Зарегистрирован:
    --

    Новостей: 0
    Комментариев: 0
    Звание: гость
    --------------------
    E-mail:
    That's the thikning of a creative mind

    Комментарий #6
    :: Автор Автор: Tamer :: Дата 2.10.2013, 15:25 :: Место жительства: -- :: ICQ: --
    Tamer

    Зарегистрирован:
    --

    Новостей: 0
    Комментариев: 0
    Звание: гость
    --------------------
    E-mail:
    кто с 21 школы тот лох :D

    Добавление комментария

    Ваше имя:

    Ваш E-Mail:


    Включите эту картинку для отображения кода безопасности
    Обновить, если не виден код


    Введите результат сложения:


      Школьная физика
    Copyright © 2004-2010 "Школьная физика". All Rights Reserved. Обратная связь | Feedback | Карта сайта | Sitemap | Статистика | Statistics
    Designed by: 7-by © 2010. Службы мониторинга серверов