Меню

Урок по физике 11 класс мощность в цепи переменного тока

Мощность в цепи переменного тока

Нажмите, чтобы узнать подробности

Просмотр содержимого документа
«Мощность в цепи переменного тока»

Мощность в цепи переменного тока

Мощность в цепи переменного тока

Цель урока:

Мощность в цепи постоянного тока

  • продолжить изучение электрических явлений, достичь усвоения обучающимися понятия мощности электрического тока.

Мощность в цепи постоянного тока

Переменный электрический ток Электрический ток величина и направление которого меняются с течением времени называется переменным.

  • В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение:

Переменный электрический ток

  • Электрический ток величина и направление которого меняются с течением времени называется переменным.

В сети переменного тока различают полную, активную и реактивную мощность.

В сети переменного тока различают полную, активную и реактивную мощность.

Полная мощность в цепи переменного тока равна произведению действующего значения тока на действующее значение напряжения (измеряется в ВА , кВА)

  • Полная мощность в цепи переменного тока равна произведению действующего значения тока на действующее значение напряжения (измеряется в ВА , кВА)

Полная мощность состоит из двух составляющих – активной Р, и реактивной Q мощности. Активная мощность- это часть электрической энергии выработанной генератором, которая безвозвратно преобразуется в тепловую или в механическую энергию. Активная мощность измеряется в Вт, кВт (ватт, киловатт). Активную мощность можно определить по следующей формуле:

  • Полная мощность состоит из двух составляющих – активной Р, и реактивной Q мощности.
  • Активная мощность- это часть электрической энергии выработанной генератором, которая безвозвратно преобразуется в тепловую или в механическую энергию.
  • Активная мощность измеряется в Вт, кВт (ватт, киловатт). Активную мощность можно определить по следующей формуле:

Реактивная мощность накапливается индуктивностью при возрастании т ока в цепи. Реактивная мощность измеряется в Вар, кВАр (вольт-амперах реактивных, кило вольт-амперах реактивных).

  • Реактивная мощность накапливается индуктивностью при возрастании т ока в цепи.
  • Реактивная мощность измеряется в Вар, кВАр (вольт-амперах реактивных, кило вольт-амперах реактивных).

Коэффициент мощности

Вопросы:

  • Коэффициент мощности показывает, насколько переменный ток в нагрузке сдвигается по фазе относительно напряжения на ней. Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига. cos φ (где φ — угол сдвига по фазе между током и напряжением).
  • 1. Какими преимуществами обладает переменный ток перед постоянным?
  • 2.Что выражает угол φ?
  • 3.Каково значение φ для цепей с чисто активным, чисто индуктивным и чисто емкостным сопротивлениями?
  • 4.Что такое полная мощность?
  • 5. Как можно вычислить на практике cosφ?

Источник

ИКТ-технологии на уроке физики по теме «Мощности в цепи переменного тока». 11-й класс

Класс: 11

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Цели урока:

а) повторить, обобщить и систематизировать знания учащихся по изученному материалу темы «Мощность в цепи переменного тока»;
б) провести проверку уровня владения учащимися материалом, глубины его усвоения, умения выводить формулы и читать графики, понимать физический смысл функций и графиков, описывающих соответствующие физические процессы;
в) подготовить учащихся к активному восприятию нового материала;
г) показать ценность полученных знаний при решениипрактических производственных и жизненных задач.

а) развивать мышление, внимание и умения:
— анализировать полученную информацию,
— выделять ключевые положения,
— формулировать логические выводы, правильно используя физические термины,
— видеть значение и возможности применения полученных знаний в различных областях жизни;
б) формировать и развивать «физический» язык предмета;
в) развивать умение применять приобретенные знания на практике.

а) продолжать воспитывать отношение к учебе, как к напряженному труду, приносящему удовлетворение результатами и закладывающему фундамент успеха в будущей жизни;
б) формировать навыки работы в группе, соотнося свои возможности с возможностями членов группы;
в) воспитывать аккуратность и внимательность при построении графиков, рисунков и при оформлении материала урока в тетради.

Вид урока: комбинированный: обобщение основного материала темы с элементами изложения нового материала.

Оборудование: персональные компьютеры, интерактивная доска Smart (или мультимедийный проектор, экран).

План урока:

  1. Организационный момент: поставить цель и задачи урока перед учащимися
  2. Повторение знания учебного материала:
    — вступительная информация учителя,
    — опрос учащихся при работе с графиком мгновенной мощности (общий случай),
    — выполнение проверочных заданий по группам (разбивка на группы, комментарий заданий),
    — анализ работы групп, обобщение материала учителем и подготовка к введению новых понятий.
  3. Изложение нового материала по теме «Активная, реактивная, и полная мощности в цепи переменного тока» (форма работы лекционная с подключением учащихся к выводам формул и логических заключений).
  4. Подведение итогов работы по достижению цели урока.
  5. Домашнее задание.

Ход урока

1. Наш урок сегодня следует рассматривать как завершающий тему: «Мощность в цепи переменного тока». Мы должны повторить и обобщить полученные знания по теме, на основе этого обобщения ввести новые понятия активной, реактивной и полной мощности в цепи переменного тока и оценить значение этих понятий не только в теории электрических цепей, но и в производственной практике электроэнергетического хозяйства.

2. На сегодняшний день мы изучили закономерности изменения тока, напряжения и мгновенной мощности в различных цепях переменного тока: с чисто активным сопротив-лением, с чисто индуктивным сопротивлением, с чисто емкостным сопротивлением и в цепи, содержащей все виды сопротивлений (общий случай). Вы знаете, уравнения и графики, описывающие эти закономерности. На прошлых занятиях мы строили их на доске и в тетрадях. Напомним общий случай и посмотрим график, идеально построенный с помощью компьютера (демонстрируется стр. 1 Приложение)

Работая с графиком и формулами, учащиеся отвечают на вопросы, повторяя при этом материал, необходимый для дальнейшей работы. Пример вопросов:

  • Что выражает угол φ?
  • Каково значение φ для цепей с чисто активным, чисто индуктивным и чисто емкостным сопротивлениями?
  • Как выводится формула зависимости мгновенной мощности от времени в общем случае? (необходимо назвать план действий для получения конечной формулы).
  • Как связаны между собой мгновенное и действующее значение тока?

Следующий этап повторения будет являться одновременно и проверкой уровня владения изученным материалом, глубины его усвоения, умения выводить формулы и читать графики, понимать физический смысл функций и графиков, описывающих соответствующие физические процессы.

Проверка будет организована по группам (3 группы по числу компьютеров в сети). Каждая группа получает свой вариант задания, состоящий из трех частей (одновременно с этим группы получают задания на компьютеры).

  • 1-я часть задания предлагает на основе анализа предложенных графиков тока, напряжения и мгновенной мощности заполнить таблицу. (Замечание по поводу заполнения таблицы: 2-ой столбец таблицы для вас не представляет труда и носит скорее иллюстрационный характер, дополняющий задание информационно. Третий и четвертый столбцы предполагают не только знания формул, но и умения их вывести.)
  • Во 2-й части необходимо по графику мгновенной мощности описать характер ее изменения и ее свойства.
  • 3-я часть является общей для всех вариантов и заключается в ответах на предложенные вам шесть вопросов.
Читайте также:  Прибор поиск утечки тока автомобиля

По завершению работы группа выделяет представителя для доклада о результатах (1-я и 2-я части задания) у доски с демонстрацией на ней заполненной таблицы. На предложенные два вопроса из третьей части отвечает любой ученик из группы. На выполнение работы в группах дается 10 минут, на доклады и их обсуждения еще 10мин. ( Варианты на доске появляются при нажатии мышкой на ссылки: в.1, в.2, в.3, 3.ч.з. на 1-ой странице или стрелками навигации)

После докладов представителей групп и их обсуждения, учитель оценивает, уточняет, шлифует и обобщает ответы учащихся, при этом использует «стр. 9».

Завершается повторение возвращением к общему случаю (стр. 1).

Учитель подчеркивает, что, имеющиеся у учащихся знания, позволяют ввести новые характеристики мощности и рассмотреть их значение в реальной жизни.

Объяснение нового материала ведется учителем на доске, ученики работают в тетради.

3. «Активная, реактивная, и полная мощности в цепи переменного тока»

В общем случае при наличии в цепи активного, индуктивного и емкостного сопротивлений мгновенная мощность выражается формулой

где I и U – действующие значения тока и напряжения, равные I = , U= .

а) На практике мгновенную мощность вообще не измеряют, да она и не нужна. Практически надо знать не мгновенную мощность, а энергию, которую выделит электрическая цепь за достаточно большой промежуток времени. А для этого во всех случаях надо знать среднюю мощность за этот промежуток времени, включающий много периодов. Для этого достаточно знать среднюю мощность за один период, поскольку в последующие периоды выделяется такая же энергия. Среднее значение второго слагаемого формулы (1) за период Т изменения тока равно нулю. Поэтому средняя мощность за период Т равна первому слагаемому, не зависящему от времени:

Это величина называется активной мощностью, а сosφ — коэффициентом мощности.

При проектировании электрических цепей переменного тока обязательно добиваются, чтобы значение сosφ было больше 0,85 (сosφ 2 R. (4) Произведение Pt называют активной энергией ω= Pt (5)

и измеряют в (Вт*с) или в (кВт*ч) счетчиками электрической энергии. Активная энергия полностью преобразуется в тепло или механическую энергию на участке с активным сопротивлением.

в) Если величины на сторонах треугольника сопротивлений умножить на I 2 , то получим треугольник мощностей (на стр. 2 появляется 2-й треугольник ).

Из треугольника мощностей видно, что катет, прилежащий к углу φ, представляет собой активную мощность P= I 2 R , противолежащий катет представляет мощность Q= I 2 xp (6),

называемую реактивной мощностью. Учитывая, что xp= Zsinφ и Z= , получим:

Q= I 2 xp= I 2 Zsinφ = IUsinφ, т.е. Q= IUsinφ. (7).

Реактивная мощность измеряется в ВАр (вольт-амперах-реактивных), по формуле (6) вычисляется ее абсолютное значение, а на графике ее значения находятся в отрицательной области кривой, где значения тока и напряжения разные по знаку.

Реактивная мощность характеризует интенсивность обмена энергией между источником с одной стороны и магнитными и электрическими полями – с другой.

Эта энергия равная Qt, бесполезно загружает источник энергии (генератор) и провода линий электропередач, что для энергоэлектрического хозяйства является вредным. Поэтому в серьезных хозяйствах принимают меры по ее сокращению.

с) Гипотенуза треугольника мощностей представляет собой полную мощность

S=I 2 Z=IU (8) или S = (9). Полная мощность измеряется в ВА (вольт-амперах) или кВА. Произведение St выражает полную энергию цепи переменного тока.

А теперь вернемся к рассмотрению графиков (стр. 3 и стр. 4)

Если рассмотреть произведения значений мгновенной мощности на соответствующие промежутки времени Δt , просуммировать их и взять предел этой суммы при Δt стремящемуся к нулю при стремлении числа этих промежутков к бесконечности, мы получим значение полной энергии в цепи за рассматриваемый промежуток времени.

Это отображается заштрихованной областью графика. Видно, что в цепи с чисто активным сопротивлением полная энергия равна активной энергии, в цепях с индуктивным и емкостным сопротивлением она равна нулю, в общем случае полная энергия вычисляется как площадь прямоугольника 0DАВ. (К формулировкам выводов подключаются учащиеся).

(Замечание: понятие определенного интеграла учащимся на момент изучения темы не известно).

d) И в заключение, необходимо вернуться к коэффициенту мощности, имеющему большое значение при эксплуатации электросетей и решении практических задач.

  • Из треугольника мощностей и формул (9), (8) получаем, что коэффициент мощности cosφ можно вычислить по формулам:
  • На практике cosφ:
    — можно вычислить, используя вольтметр, амперметр и ваттметр (формула (11));
    можно измерить специальным прибором – фазометром.

Все введенные нами понятия и формулы для их вычисления будут использоваться при решении задач.

4. Подведение итогов изучения темы. Оценка работы учащихся.

5. Задание на дом:

  1. задачи № № 1321, 1326 , 1333, (Сборник задач по физике, составитель Степанова Г.Н.
  2. задание, носящее поисковый характер: выяснить пути уменьшения коэффициента мощности, используемые на практике.

Источник

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 8. Переменный электрический ток

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Читайте также:  Задачи по физике кпд источника тока

1) Свойства переменного тока;

2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;

3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;

4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.

Глоссарий по теме

Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Величину ХC, обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.

Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.

Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.

Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.

При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.

𝒾 — мгновенное значение силы тока;

m— амплитудное значение силы тока.

– колебания напряжения на концах цепи.

Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Um — амплитудное значение напряжения.

Действующие значения силы тока и напряжения:

Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.

Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Читайте также:  Законы постоянного электрического тока сообщение

Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно

Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:

Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.

Мощность цепи переменного тока

Величина cosφ – называется коэффициентом мощности

Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.

Дано: e=80 sin 25πt.

Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону

Согласно данным нашей задачи:

Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

Подставляем числовые данные:

2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?

Напишем закон Ома для переменного тока:

Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать Im=Um/Z?

Полное сопротивление цепи равно:

Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:

то после вычислений получаем Im ≈0,09 Ом.

2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.

Источник



§ 2.10. Мощность в цепи переменного тока

Мощность в цепи постоянного тока определяется произведением напряжения на силу тока:

Физический смысл этой формулы прост: так как напряжение U численно равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда, то произведение UI характеризует работу по перемещению заряда за единицу времени, протекающего через поперечное сечение проводника, т. е. является мощностью.

Мощность электрического тока на данном участке цепи положительна, если энергия поступает к этому участку из остальной сети, и отрицательна, если энергия с этого участка возвращается в сеть. На протяжении очень малого интервала времени квазистационарный переменный ток можно считать неизменным. Поэтому мгновенная мощность в цепи переменного тока определяется такой же формулой:

Если напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону

то и сила тока будет меняться со временем гармонически с той же частотой, но в общем случае будет сдвинута по фазе относительно напряжения:

где φc. — сдвиг фаз между силой тока и напряжением. Поэтому для мгновенной мощности можно записать:

При этом мощность меняется со временем как по модулю, так и по знаку. В течение одной части периода энергия поступает к данному участку цепи (р > 0), но в течение другой части периода некоторая доля энергии вновь возвращается в сеть (р

Лишь при наличии проводника с активным сопротивлением в цепи, не содержащей движущихся проводников, электромагнитная энергия превращается во внутреннюю энергию проводника, который нагревается. Обратного превращения внутренней энергии в электромагнитную на участке с активным сопротивлением уже не происходит. Для цепи, изображенной на рисунке 2.20, UR = φcR = U cos φc. Подставив в формулу (2.10.4) вместо U cos φc произведение силы тока φc на R, получим следующее выражение для мощности:

Оно аналогично закону Джоуля—Ленца для постоянного тока. Формула (2.10.5) подтверждает сказанное выше о роли активного сопротивления. Но надо иметь в виду, что формула (2.10.4) справедлива всегда, а формула (2.10.5) выполняется лишь для частного случая.

При проектировании цепей переменного тока нужно добиваться, чтобы cos φc, не был мал. Иначе значительная часть энергии будет циркулировать по проводам от генератора к потребителям и обратно. Так как провода обладают активным сопротивлением, то при этом энергия расходуется на нагревание проводов.

Неблагоприятные условия для потребления энергии возникают при включении в сеть электродвигателей, так как их обмотка имеет малое активное сопротивление и большую индуктивность. Для увеличения cos φc. в сетях питания предприятий с большим числом электродвигателей включают специальные компенсирующие конденсаторы. Нужно также следить, чтобы электродвигатели не работали вхолостую или с недогрузкой. Это уменьшает коэффициент мощности всей цепи. Повышение cos φc является важной народнохозяйственной задачей, так как позволяет с максимальной отдачей использовать генераторы электростанций и снизить потери энергии. Это достигается правильным проектированием электрических цепей. Запрещается использовать устройства с cos φc

* С тем же успехом, разумеется, вместо u = Um cos ωt можно было бы записать u = Um sin ωt.

Источник