Установка«Трансформатор Томсона» ФДЭ-027М

Демонстрационная установка «Трансформатор Томсона» ФДЭ-027М (рис. 7) предназначена для проведения демонстраций на лекциях по курсу «Физика», раздел «Электричество и магнетизм».

 

 

Рис. 7

 

Установка обеспечивает наглядную демонстрацию опытов, важных для понимания закономерностей явлений электромагнитной индукции, и иллюстрацию применения этого явления в технике, а именно:

· демонстрацию принципа действия трансформатора;

· демонстрацию теплового действия индукционных токов;

· преобразование электрической энергии в механическую;

· демонстрацию сил взаимодействия индукционных токов в магнитном поле;

· демонстрацию взаимодействия индукционных токов в магнитном поле;

· демонстрацию возникновения бегущего магнитного поля и принцип действия однофазного асинхронного двигателя.

В комплект установки входят:

· трансформатор;

· кольцо медное сплошное;

· кольцо алюминиевое сплошное;

· кольцо алюминиевое разрезное;

· пакет алюминиевых колец;

· катушка замкнутая на лампу накаливания;

· алюминиевая кювета со свистком;

· наконечник на сердечник с короткозамкнутым витком;

· диск, вращающийся вокруг своей оси на рукоятке.

Основные технические характеристики представлены в табл. 3

 

Таблица 3

 

Питание от сети переменного тока:	220В, 50Гц
Потребляемая мощность, кВА
Габаритные размеры трансформатора, мм, не более	220х190х280
Масса, кг, не более

 

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 8), разме­щенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала.

 

 

Рис. 8

Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока – электрической сети с напряжением u ₁. К вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z _H.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН – буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i ₁, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС –ε₁и ε₂, пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w ₁ и w ₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/d t. Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке:

, .

 

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением:

 

.

 

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках тран­сформатора, которые обычно не превышают 3–5% от номи­нальных значений напряжений U ₁ и U ₂,и считать E ₁ ≈U _l и Е ₂≈ U ₂, то получим:

 

.

 

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U ₁ можно получить желаемое напряжение U _2. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w ₂берут больше числа w ₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U ₂,то число витков w ₂ берут мень­шим w ₁; такой трансформатор называют понижающим.

Отношение ЭДС Е _ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е _НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации:

.

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде слу­чаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устрой­ствах радиоэлектроники и автоматики – многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U 2, U 3, U 4 и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

 

 

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным ток i ₂ во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора под­ключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E ₁впервич­ной обмотке ток I ₁ = U ₁ R ₁ весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

 

 

где Р ₁– мощность, потребляемая трансформатором от источ­ника переменного тока, Вт; Р ₂ = I ₂₂ R ≈ P ₁– мощность, по­требляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопро­тивления R в k ₂ раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источ­ников электрической энергии.

Порядок проведения демонстрации преобразования электромагнитной энергии в механическую:

1. Проведение демонстрации преобразования электромагнитной энергии в механическую (взаимодействие вихревых токов в катушке с индукционными токами, наводящимися в кольцах).

2. Оденьте на сердечник сплошное алюминиевое кольцо ФДЭ027М.00.00.00.01. Включите установку. Кольцо должно взлететь на некоторою высоту. Выключите установку.

3. Оденьте на сердечник разрезное алюминиевое кольцо ФДЭ027М.00.00.00.02. Включите установку. Кольцо остается неподвижным. Выключите установку.

4. Оденьте на сердечник сплошное медное кольцо ФДЭ027М.00.00.00.03. Включите установку. Кольцо должно взлететь на некоторую высоту. Выключите установку.

 

Примечание. Высота, на которую взлетает медное кольцо, должна быть меньше высоты, на которую взлетает алюминиевое кольцо. Это обусловленотем, что толщина медного кольца меньше толщины алюминиевого, а масса соответственно больше.

 

5. Оденьте на сердечник алюминиевое кольцо ФДЭ027М.00.00.00.04. При включении установки кольцо не взлетает, а лишь приподнимается на небольшую высоту. Добавляйте к зависнувшему кольцу по одному кольцу ФДЭ027М.00.00.00.04. Убедитесь в том, что с прибавлением колец увеличивается высота подъема колец.

Порядок проведения демонстрации принципа действия трансформатора:

1. Включите установку. Постепенно надевайте на сердечник катушку с лампой ФДЭ027М.05.00.00.00. При движении катушки с лампой к катушке трансформатора вниз по сердечнику яркость накала увеличивается. Свечение указывает на возникновение в катушке электрического тока, т.е. на то, что катушка является вторичной обмоткой трансформатора.

2. После проведения демонстрации выключите установку с помощью выключателя «СЕТЬ».

Порядок проведения демонстрации возникновения «бегущего» магнитного поля:

1. Наденьте на сердечник наконечник с короткозамкнутым витком ФДЭ027М.06.00.00.00.

2. Включите установку.

3. Поднесите к короткозамкнутому витку диск ФДЭ027М.04.00.00.00 таким образом, чтобы плоскость диска располагалась горизонтально и находилась над витком. Наблюдайте вращение диска.

4. После проведения демонстрации выключите установку с помощью выключателя «СЕТЬ» и снимите наконечник с короткозамкнутым витком с сердечника.

Порядок проведения демонстрации теплового действия индукционных токов:

1. Наполните кювету ФДЭ027М.03.00.00.00 водой с помощью шприца. Объем воды, необходимый для демонстрации,– 4–6 мл. Установите на трубку кюветы свисток.

2. Закрепите кювету на катушке трансформатора, для чего наденьте ее на катушку так, чтобы скобы кюветы попали в пазы на щеке катушки, и проверните кювету.

3. Включите установку. Через некоторое время, вследствие кипения воды свисток начинает свистеть.

4. После проведения демонстрации выключите установку с помощью выключателя «СЕТЬ» и снимите кювету.

 

Примечание. 1. Во избежание травм не допускается при проведении демонстрации закрывать наглухо отверстие кюветы. 2. При снятии горячей кюветы используйте ручки, размещенные на верхней части кюветы.

 

5. Отключите установку от сети переменного тока.