Урок по электротехнике на тему Электрическая ёмкость. Конденсаторы

 

П л а н   у р о к а   № 2                                                                             Дата____________

Электрическая ёмкость. Конденсаторы                                               (2 часа)

 

П 00. Профессиональный цикл

ОПД 13. Основы электротехники

Преподаватель: А.А. Гурьянов

Учебная цель	Сформировать у учащихся представление: - об электрической ёмкости - о конденсаторе, способном накапливать электрический заряд - влиянии диэлектрика на электрическую ёмкость
Воспитательная цель	Сформировать у учащихся усидчивость, внимательность, аккуратность, ответственность; организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.
Развивающая цель	Сформировать у учащихся навыки: - нахождения электрической ёмкости конденсатора - перевода кратных величин в систему СИ - нахождения эквивалентной ёмкости конденсаторов
Тип учебного занятия	изучение нового материала.
Формируемые компетенции	ПК 1.2. Взаимодействовать с о специалистами смежного профиля при разработке методов, средств и технологий применения объектов профессиональной деятельности. ПК 1.3. Производить модификацию отдельных модулей информационной системы в соответствии с рабочим заданием, документировать произведенные изменеия. ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес. ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество. ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития. ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.
Вид учебного занятия	смешанный
Межпредметные связи	математика, физика
Оснащение, оборудование	Учебник, компьютер, проектор, экран, интерактивная доска

Структура урока.

1.     Организационный момент.

2.     Актуализация знаний.

3.     Формирование новых понятий и способов действий.

4.     Формирование умений и навыков.

5.     Итог урока.

6.     Домашнее задание.

Ход урока.

1. Организационный момент.

Учет отсутствующих, проверка домашнего задания, сообщение темы и постановка целей урока.

2. Актуализация знаний.

§  Стационарное электрическое поле в проводнике.

§  Электрический ток в проводниках: величина и направление тока проводимости, плотность тока проводимости.

§  Электрические проводимость и сопротивление. Удельные электрические проводимость и сопротивление.

§  Закон Ома.

§  Зависимость сопротивления проводников от температуры.

§  Понятие о сверхпроводимости.

3. Формирование новых понятий и способов действий.

Электроизоляционными называются материалы, предназначенные для разделения токоведущих элементов, находящихся под разными потенциалами во время работы электро- и радиоустановок. В качестве электроизоляционных материалов используются газообразные, жидкие и твердые диэлектрики.

Особую группу составляют твердеющие материалы: лаки, клеи, компаунды.

Газообразные диэлектрики. Наиболее распространенным газообразным диэлектриком является воздух. Воздух изолирует провода ЛЭП, обнаженные токоведущие части электро- и радиоаппаратуры и т. д.

Достаточно широкое распространение имеет элегаз — газообразный диэлектрик с пробивной напряженностью, в 2,5 раза большей, чем у воздуха. Водород, азот, инертные газы также используются и качестве газообразных диэлектриков.

Жидкие диэлектрики. К таким диэлектрикам от носятся нефтяные электроизолирующие масли и синтетические жидкие диэлектрики. Нефтяные масла являются продуктом перегонки нефти и представляют собой смесь различных углеводородов. Самое большое распространение в электротехнике находит трансформаторное масло. Оно используется для заливки силовых трансформаторов и заполнения баков высоковольтных выключателей. Конденсаторное масло применяется для пропитки бумажной изоляции в конденсаторах, кабельное масло для пропитки бумажной изоляции кабелей. Синтетические жидкие диэлектрики наиболее широко представлены соволом. Реже применяются кремнийорганические и фторорганические жидкие диэлектрики.

Твердые диэлектрики. К этому классу диэлектриков относятся:

1)   диэлектрики на основе волокнистых органических материалов. Это различные электроизоляционные бумаги (конденсаторная, кабельная, телефонная и т. д.), картон, фибра (тонкая бумага, обработанная раствором хлористого цинка), природные (хлопчатобумажные ткани, натуральный шелк) и синтетические (вискозный и ацетатный шелк) текстильные материалы. Применяются также текстильные материалы, пропитанные электроизоляционными лаками (лако- ткани);

2)   природные минеральные материалы (слюда, асбест). Слюда используется в качестве диэлектрика в конденсаторах, а также для изготовления миканита — листового или рулонного материала, склеенного из отдельных лепестков слюды с помощью лака или смолы, асбест — для изоляции нагревательных элементов, которые работают при высоких температурах;

3)   пластмассы, состоящие из двух компонентов: связующего и наполнителя. Связующий компонент – это органический полимер, обладающий способностью деформироваться под давлением; наполнитель – порошкообразное, волокнистое или листовое вещество (каменная мука, мелкие опилки, хлопчатобумажные асбестовые или стеклянные волокна). Распространенный представитель пластмасс — гетинакс — слоистый пластик, получаемый путем горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом;

4)    эластомассы материалы, полученные на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ. Широкое распространение получили резина и эбонит;

5)    стекла неорганические аморфные вещества на основе оксида кремния. Стекла используются для изготовления изоляторов, баллонов электронных ламп и стеклотканей.

6) керамики Наиболее распространенным является фарфор. В частности, в радиотехнике используется радиофарфор.

Твердеющие диэлектрики. К ним относятся смолы, лаки, компаунды. К природным смолам относятся шеллак и канифоль. Большее применение имеют синтетические смолы (полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид). Эпоксидные смолы в чистом виде являются термопластичными материалами, растворяются в различных растворителях, могут храниться длительное время, не изменяя своих свойств. При добавлении отвердителей эпоксидные смолы довольно быстро твердеют.

Электроизолирующие лаки применяются для пропитки волокнистой изоляции, что приводит к увеличению пробивного напряжения, уменьшению гигроско­пичности, созданию изолирующей пленки на поверхности лакируемых предметов.

Компаунды представляют собой смеси смол, воскообразных веществ и битумов с различными добавлениями. Это термопластичные материалы, расплавляемые перед употреблением. Расплавленные компаунды применяют для получения толстого слоя при покрытии, пропитки обмоток трансформаторов и т. д.

Параметры некоторых изоляционных материалов даны в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Диэлектрик	Епр·103, В/см	εr	Диэлектрик	Епр·103, В/см	εr
Воздух	30	1,0	Поливинилхло-рид	325	3,2
Трансформа-торное масло	50—180	2—2,5	Резина	150—200	3—6
			Стекло	100—150	6—10
			Слюда	500—1000	5,4
Совол	150	5,3	Фарфор	150—200	5,6
Бумага, пропитанная маслом	100—250	3,6	Электрокартон	80—120	3—5
Гетинакс	100—150	4—7	Миканит	150—400	5—6

Потенциал металлического уединенного тела с увеличением сообщенного ему заряда возрастает. При этом заряд Q и потенциал φ связаны между собой соотношением

Q = С·φ,

откуда

C = Q/ φ.

Здесь С — коэффициент пропорциональности, или электрическая ёмкость тела.

Таким образом, электрическая ёмкость С тела определяет заряд, который нужно сообщить телу, чтобы вызвать повышение его потенциала на 1 В.

Единицей ёмкости, как следует из формулы C = Q/ φ, является кулон на вольт, или фарада:

[С] = Кл/В = 1 Ф.

На практике пользуются более мелкими единицами – микрофарадой (1 мкФ = 10^–6 Ф) или пикофарадой (1 пФ = 10^–12 Ф).

В технике для получения ёмкостей используют конденсаторы — устройства, состоящие из двух металлических проводников, разделенных диэлектриком, и предназначенные для использования их ёмкости.

В частности, плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами. При подключении к источнику постоянного напряжения происходит зарядка конден­сатора, свободные электроны пластины, соединенной с положительным полюсом источника, переходят через источник на пластину, соединенную с его отрицательным полюсом. Этот процесс закончится, когда разность потенциалом между пластинами окажется равной напряжению между зажимами источника. В результате один пластина конденсатора получает заряд +Q, а другая –Q. При этом заряд Q и напряжение U между пластинами связаны соотношением Q = CU, откуда C = Q/U

Здесь С – электрическая ёмкость конденсатора.

Таким образом, электрическая ёмкость С конденсатора определяет заряд, который нужно сообщить одной его пластине, чтобы вызвать повышение напря­жении между пластинами на 1 В.

Для нахождения заряда Q при заданном напряжении необходимо знать ёмкость конденсатора. В случае плоского конденсатора

С = ε_rε₀S/d

где ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора; ε₀ – электрическая постоянная; S – площадь одной пластины, м²; d – расстояние между пластинами, м.

Промышленность выпускает конденсаторы различной ёмкости — от 1 пФ до нескольких тысяч микрофарад на различные номинальные  напряжения (от единиц вольт до               сотен киловольт),   различного назначения и конструкции. По типу диэлектрика конденсаторы делится на бумажные, слюдяные, керамические и др.

Конденсаторы находят широкое применение в электротехнике и радиотехнике.

4. Формирование умений и навыков.

1. От чего зависит емкость конденсатора?

2. Как влияет диэлектрик на ёмкость конденсаторов?

3. В каком случае необходимо применять последовательное соединение конденсаторов?

4. Заполните таблицу.

0,0015 Ф	33мкФ	0,047 мкФ	100 пФ	6,8 нФ	820 пФ
... мкФ	...Ф	... пФ	... мкФ	... пФ	... нФ

5*. Определите эквивалентную емкость соединения конденсаторов, схема которых приведена на рис, если все конденсаторы имеют емкость по 5 мкФ.

6. Конденсатор имеет две пластины. Площадь каждой пластины составляет 15 см². Между пластинами помещен диэлектрик – слюда толщиной 0,02 см. Определите ёмкость этого конденсатора.

7. Определите эквивалентную емкость конденсаторов, схема включения которых приведена на рис., если все конденсаторы имеют емкость по 10 мкФ.

8. При последовательном соединении двух конденсаторов эквивалентная емкость равна 0,8 мкФ, а при параллельном – 5 мкФ. Определите емкость каждого конденсатора.

9. Определите, какой заряд способны накопить конденсаторы, включенные по схеме, показанной на рис., если U = 350 В, а емкости всех конденсаторов равны между собой и составляют 0,5 мкФ?

10. Определите, какую энергию способны накопить конденсаторы, включенные по схеме, приведенной на рис. к предыдущей задаче.

5. Итог урока.

Проверка выполнения задач, выставление оценок, сообщение домашнего задания.

6. Домашнее задание.

Электрическая ёмкость. Плоский конденсатор (212)

Нужно ли изменить ёмкость конденсатора, чтобы при неизменном напряжении между его пластинами заряд увеличился? Если да, то как?	Уменьшить	8
	Оставить без изменения	47
	Увеличить	14
Как изменятся ёмкость и заряд на пластинах конденсатора, если напряжение на его зажимах повысится?	Ёмкость и заряд увеличатся	19
	Ёмкость уменьшится, заряд увеличится	9
	Ёмкость останется неизменной, заряд увеличится	5
	Ёмкость останется неизменной, заряд уменьшится	39
При неизменном напряжении увеличится расстояние между пластинами конденсатора. Как изменится при этом заряд конденсатора?	Увеличится	44
	Не изменится	63
	Уменьшится	93
Конденсатор образован тремя пластинами, как показано на рисунке. Площадь каждой пластины S. Какую площадь следует подставить в формулу для определения ёмкости?	3S	100
	S	82
	2S	57
Расстояние между пластинами конденсатора d. Какой параметр нужно подставить в формулу для определения емкости?	2d	74
	d	43