Публикация на тему: «Учебный материал для выполнения

домашнего задания студентов по дисциплине физика».

Селезнева Г.А.,

преподаватель физики, КГА ПОУ «Энергетический колледж»

1.

Электрическая ёмкость. Соединение конденсаторов

Устройство, состоящее из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика и

способное накапливать электрические заряды называется ёмкостью. В технике широкое

применение получили устройства, которые при сравнительно малых размерах способны

накапливать большое количество зарядов. Эти устройства называются конденсаторами.

Существуют

естественные

и

искусственные

конденсаторы.

Естественные

конденсаторы специально не создаются, их примером могут служить две жилы кабеля, жила

кабеля и его броня, провод воздушной ЛЭП и земля, два провода электрической цепи и др.В

энергетике, радиотехнике, электронике и других областях промышленности

широко

применяют различные виды конденсаторов.

По материалу

диэлектрика различают три вида искусственных конденсаторов:

с

твердым, газообразным и жидким диэлектриком. Конденсаторы с твердым диэлектриком

подразделяются

на

керамические,

стеклянные,

стеклокерамические,

стеклоэмалевые,

слюдяные, бумажные, электролитические, полистирольные, фторопластовые и др

Свойство конденсатора накапливать и удерживать на своих обкладках

равные по величине, но разные по знаку электрические заряды называется емкостью

(С).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф).

Фарад — это очень большая единица емкости, поэтому на практике чаще используют

микрофарады или пикофарады:

Ёмкость конденсатора зависит:

1.

От площади пластин

2.

От расстояния между пластинами (от толщины диэлектрика)

3.

От свойства материала диэлектрика (от его диэлектрической проницаемости)

где

S

-

площадь

пластин,

м

2

;

d - толщина диэлектрика, м ε -

относительная электрическая проницаемость диэлектрика

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить

площадь его пластин S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика

применить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами

постоянной емкости. Конденсаторы, емкость которых можно менять, называются

конденсаторами переменной емкости

Обозначение конденсаторов на электрических схемах: а - постоянной

емкости, б - переменной емкости

Соединении конденсаторов Когда емкость одного конденсатора мала, то соединяют

несколько конденсаторов параллельно

При параллельном соединении конденсаторов напряжение между пластинами

каждого конденсатора одно и то же.

U

1

= U

2

= U

3

= U.

Заряд каждого конденсатора:

q

1

= C

1

U; q

2

= C

2

U;

q

3

= C

3

U.

Общий заряд батареи конденсаторов:

q = q

1

+ q

2

+ q

3

;

q = C

1

U + C

2

U + C

3

U = U (C

1

+ C

2

+ C

3

).

Обозначая емкость батареи конденсаторов через С, получаем

q = CU,

тогда

CU = U (C

1

+ C

2

+ C

3

), или окончательно

C = C

1

+ C

2

+ C

3

. Следовательно, при параллельном соединении конденсаторов общая

емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. При параллельном соединении

каждый

конденсатор

окажется

включенным

на

полное

напряжение

сети,

поэтому

параллельно соединять можно только те конденсаторы, у которых рабочее напряжение

больше или равно напряжению сети.

2.

Явление самоиндукции, взаимоиндукции, электромагнитной индукции

3.

Явление самоиндукции В цепях электрического тока часто наблюдается особый вид

электромагнитной индукции, называемой самоиндукцией. Рассмотрим подробнее это

явление. Ранее было выяснено, что при всяком изменении магнитного потока,

пронизывающего данный контур, в последнем индуктируется э.д.с.

e = -

w

ΔΦ

.

Δt

Это будет справедливо и для того случая, когда проводниковый контур будет

пересекаться своим собственным магнитным потоком.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из катушки, источника тока и ключа К.

При разомкнутом ключе тока в цепи нет. Магнитное поле катушки

отсутствует. При замыкании ключа в цепи начинает проходить ток, создающий

магнитный поток внутри катушки. Направление тока в витках катушки показано

одинарной стрелкой. Появившийся магнитный поток катушки, увеличиваясь, будет

пересекать витки катушки и согласно закону электромагнитной индукции в витках при

этом возникает индуктированная э.д.с. Это явление называется самоиндукцией, а э.д.с.,

возникшая в результате самоиндукции, называется э.д.с. самоиндукции и обозначается e

L

Величина э.д.с. самоиндукции определяется тем же уравнением

e

L

= - w

ΔΦ

.

Δt

Знак

минус,

стоящий

в

правой

части

уравнения,

говорит

о

направлении

индуктированной э.д.с., потому что в нем отображено правило Ленца. В самом деле, в

момент замыкания цепи катушки появившийся ток вызовет возрастание магнитного

потока катушки, т. е. поток получает положительное приращение (+ΔΦ). э.д.с.

самоиндукции получит отрицательное значение.

Это означает, что э.д.с. самоиндукции, стремясь противодействовать возрастанию

магнитного потока, будет иметь направление, противоположное э.д.с. (току) источника.

По истечении некоторого промежутка времени возрастающий магнитный поток

катушки достигнет своего установившегося значения, прирост потока будет равен нулю

(ΔΦ = 0), индукция прекратится и э.д.с. самоиндукции исчезнет.

Момент размыкания цепи с катушкой

Исчезающий ток, направление которого показано одинарной стрелкой,

будет уменьшать магнитное поле катушки. Изменение поля вызовет появление э.д.с.

самоиндукции в витках катушки. Убывание магнитного потока можно представить как

отрицательное приращение потока (-ΔΦ). э.д.с. самоиндукции при этом получает

положительное значение. Это означает, что, стремясь поддержать величину магнитного

потока, противодействуя его убыванию, э.д.с. самоиндукции будет иметь направление,

согласное с э.д.с. (током) источника. Появление э.д.с. самоиндукции в катушке будет

происходить не только в моменты включения или отключения цепи, но и при всяком

изменении тока в цепи катушки.

Явление взаимоиндукции

Взаимоиндукцией называется влияние изменяющегося магнитного поля одного проводника

на другой проводник, в результате чего во втором проводнике возникает индуктированная

э.д.с. Пусть мы имеем два проводника I и II или две катушки, или два контура. Ток в первом

проводнике i

1

создается источником напряжения. Ток i

1

образует магнитный поток Φ

1

, одна

часть которого Φ

12

пересекает второй проводник, а другая часть Φ

11

замыкается помимо

второго проводника:

Φ

1

= Φ

12

+ Φ

11

Если вместо проводников мы возьмем две катушки с числом витков w

1

и w

2

, то

потокосцепление второго контура будет

Ψ

12

= w

2

Φ

12

.

3.Трансформаторы

Трансформатор (от лат. transformo – преобразую) - это статический

электромагнитный аппарат,

преобразующий

переменный ток одного напряжения в

переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

1

Трансформатор был изобретён в 1876 г. П.Н. Яблочковым. Яблочков использовал

индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания

изобретенных им электрических свечей.

Широко трансформаторы стали применяться после открытия М.О. Доливо – Добровольским

трехфазной

система

передачи

электроэнергии

и

изобретения

им

трехфазного

трансформатора в 1891 году.

Трансформаторы применяются во многих областях: при передаче электрической энергии

на большие расстояния, для распределения энергии между ее приёмниками и в различных

выпрямительных, сигнальных, усилительных и других устройствах, а также в быту.

На электрических станциях вырабатывают напряжение от 10 до 18 кВ, которое

невозможно передать на значительные расстояния без значительных потерь (нагрев

проводников). Поэтому напряжение повышают до 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ, 750 кВ и даже

1150 кВ при помощи повышающих трансформаторов, которые передают напряжение на

значительные

расстояния

при

минимальных

потерях.

Электрическую

энергию

от

электростанции, где она вырабатывается, до потребителя приходится трансформировать 3-4

раза.

Пример. Уменьшение

тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е.

достигается тот же эффект, что и от стократного

утяжеление провода.

По мере

приближения к потребителям это напряжение уменьшают понижающие трансформаторы -

преобразуя его в привычные для нас 380 В и 220 В.

Классификация трансформаторов:

I.

По

принципу

действия:

1. Повышающие 2.

Понижающие 3.

Разделительные

II.

По назначению:

1.

Трансформаторы

малой

мощности

2.

Силовые

трансформаторы

1

3.

Трехфазные

трансформаторы

4.

Автотрансформаторы

5.

Лабораторные

автотрансформаторы

(ЛАТРы)

6.

Измерительные

трансформаторы

7. Специальные трансформаторы (сварочные)

Трансформатор

состоит

из

замкнутого

ферромагнитного сердечника, на котором размещены две обмотки: первичная и

вторичная.

Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику питания,

называется первичной обмоткой – W

1

, а та обмотка, к которой подключены

потребители, называется вторичной обмоткой – W

2

.

Сердечник

(магнитопровод)

трансформатора

изготавливают

из

листовой

электротехнической стали, имеющей малые потери на перемагничивание и вихревые

токи. Чаще всего это пластины Ш – образной формы, толщиной 0,35-0,5 мм,

изолированные друг от друга слоем диэлектрического лака, стянутые болтами или

шпильками, т.е шихтованные.

Все электрические процессы протекающие в первичной обмотке обозначаются

индексом 1, во вторичной обмотке – индексом 2.

Принцип действия трансформатора

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Магнитный

поток Ф

1

, создаваемый переменным током “~” I

1

в первичной обмотке W

1

, благодаря

наличию сердечника практически без потерь пронизывает витки вторичной обмотки W

2

,

возбуждая в ней ЭДС

индукции E

2

. Так как магнитный поток должен изменяться,

трансформатор может работать только на переменном токе. Напряжение на вторичной

обмотке U

2

зависит от числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или

меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации и

обозначается буквой k:

k =

W

1

W

3

=

U

1

U

2

При:

k>1 тр-р - понижающий k<1 1

тр-р – повышающий k = 1 1 тр-р –

разделительным