Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток.

• 1 слайд

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

• 2 слайд

  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.
  

• 3 слайд

  Повторение
  

• 4 слайд

  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.
  

• 5 слайд

  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
  

• 6 слайд

  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.
  

• 7 слайд

  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.
  

• 8 слайд

  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.
  
  

• 9 слайд

• 10 слайд

  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.
  
  

• 11 слайд

  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.
  
  

• 12 слайд

  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).
  
  

• 13 слайд

  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.
  

• 14 слайд

  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.
  

• 15 слайд

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

• 16 слайд

  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.
  

• 17 слайд

  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.
  

• 18 слайд

  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.
  

• 19 слайд

  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.
  

• 20 слайд

• 21 слайд

  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.
  
  

• 22 слайд

  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?
  

• 23 слайд

  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)?
  

• 24 слайд

  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?
  
  
  
  
  
  
  
  

• 25 слайд

  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.
  
  
  

• 26 слайд

  Упражнения:
  

• 27 слайд