VY_52_INOVACE_2NOV40 Autor: Mgr. Jakub Novák Datum: 30. 10. 2012 Ročník: 9. Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vzdělávací obor: Fyzika Tematický okruh: Elektromagnetické a světelné děje Téma: Transformátor Metodický list: Žáci si připomenou princip funkce transformátoru i jeho základní části tím, že si funkční modelový transformátor sami sestaví, v praxi vyzkouší fakt, že transformátor pracuje pouze se střídavým napětím a měřením ověří vztah mezi vstupním a výstupním napětím transformátoru a počty závitů primární a sekundární cívky. Laboratorní práce odpovídá dvěma vyučovacím hodinám. Žáci pracují ve skupinách po dvou. Pomůcky používají ze soupravy pro žákovské pokusy s elektřinou, funkční model transformátoru, víceúčelové měřicí přístroje, sady izolovaných vodičů opatřených banánky a školní zdroj stejnosměrného i střídavého elektrického napětí, které je přivedeno do terminálů v jednotlivých lavicích. Při volbě velikosti nastaveného napětí musí vyučující zohlednit to, aby ani při zvýšení velikosti napětí vlivem transformace nepřekročila jeho nejvyšší hodnota bezpečnou velikost 24 V. Výuka probíhá frontálně za dodržení všech bezpečnostních zásad podle přiloženého pracovního postupu. Žáci průběžně s pomocí vyučujícího vyplňují přiložený pracovní list, který odevzdají ke kontrole na konci hodiny. Nejprve si v části zvané příprava připomenou, z jakých částí se transformátor skládá a jaký je princip jeho funkce. Do pracovního listu vyplní vzorce udávající vztahy mezi napětími a počty závitů a mezi proudy a počty závitů. Poté sami nebo za pomoci vyučujícího navrhnou schéma zapojení elektrického obvodu. Sestaví funkční model transformátoru, jehož cívky umožňují volby různých počtů závitů. Transformátor zapojí do obvodu podle schématu, přičemž nejprve použijí zdroj stejnosměrného napětí. Po sepnutí spínače zjistí, že voltmetr na výstupu transformátoru ukazuje nulovou hodnotu a transformátor tedy se stejnosměrným napětím nepracuje. Poté ve stejném obvodu použijí zdroj střídavého napětí, žárovku zatím do obvodu nepřipojují (výstupní napětí se bude měnit, což by žárovku mohlo poškodit). Na primární a sekundární cívce transformátoru nastavují různé hodnoty počtu závitů a pro každé nastavení zaznamenají do tabulky jak tyto počty závitů, tak naměřené efektivní hodnoty vstupního a výstupního napětí. Po vyzkoušení všech dostupných kombinací počtů závitů vyberou tu, jejíž výstupní napětí odpovídá jmenovitému napětí žárovky (nebo použijí nejbližší nižší hodnotu), a vyzkoušejí připojit k výstupním svorkám transformátoru žárovku, kterou transformátor rozsvítí. Pomocí kalkulačky žáci vypočítají a do tabulky doplní poměry počtů závitů a transformační poměry. Oproti předpokladům vycházejí transformační poměry vždy o něco nižší než poměry počtu závitů. Žáci by si tohoto faktu měli povšimnout. Vyučující jim vysvětlí, že je to způsobeno ztrátami skutečného transformátoru a že uvedený vztah platí pouze pro ideální transformátor beze ztrát.
Pracovní postup: Sestavte model transformátoru a zapojte jej do obvodu podle schématu bez žárovky. Při sestavování obvodu začněte u jednoho pólu zdroje elektrického napětí, postupujte podle schématu směrem ke druhému pólu zdroje. Před závěrečným připojením ke druhému pólu zdroje přepněte vypínač do polohy vypnuto a požádejte vyučujícího o kontrolu zapojení. Jako primární cívku zapojte cívku s 600 závity, jako sekundární zapojte cívku s 300 závity. Nejprve v obvodu použijte zdroj stejnosměrného napětí. Po sepnutí ověřte, zda voltmetr měřící výstupní napětí ukazuje nějakou hodnotu. Poté zaměňte použitý stejnosměrný zdroj za zdroj střídavého napětí (nezapomeňte nastavit rozsahy střídavého napětí také na voltmetrech). Postupně měňte počty závitů primární a sekundární cívky (každá umožňuje 3 různé počty závitů, což tvoří dohromady 9 kombinací), před každou změnou přepněte vypínač do polohy vypnuto, a měřte a do tabulky zaznamenávejte velikosti efektivních hodnot vstupního a výstupního napětí transformátoru. Z naměřených hodnot pak vypočítejte a do tabulky vyplňte poměry počtu závitů a transformační poměry a navzájem je porovnejte. Na závěr vyberte takovou kombinaci počtu závitů, jejíž výstupní napětí odpovídá jmenovitému napětí žárovky uvedenému na její patici (nebo použijte nejbližší nižší hodnotu). Žárovku zapojte do obvodu a vyzkoušejte, že je transformátor opravdu schopen zvoleným napětím napájet spotřebič.
Veškerý obsah materiálu je vlastní tvorbou autora.
…………
LABORATORNÍ PRÁCE
Jméno: ………………………………………… Třída:
…………………………………………
Škola:
ZŠ Schulzovy sady
Datum: …………………………………………
Úloha:
Sestav model transformátoru a ověř jeho činnost.
Příprava:
1. Princip transformátoru Transformátor tvoří dvě cívky (primární a sekundární) na společném jádře. Primární cívku připojíme ke zdroji střídavého napětí a ta vytvoří střídavé magnetické pole. Změny magnetického pole indukují v sekundární cívce střídavé napětí.
2. Pro vstupní a výstupní napětí transformátoru platí vztah: ……………………
3. Pro vstupní a výstupní proud transformátoru platí vztah: …………………...
Pomůcky:
Školní zdroj střídavého napětí, sada vodičů, sada pro žákovské pokusy s transformátorem, spínač, žárovka, 2x víceúčelový měřicí přístroj.
Provedení:
Sestavíme obvod podle schématu
Vyzkoušíme různé kombinace počtů závitů primární a sekundární cívky N1 a N2. Voltmetry měříme vstupní a výstupní napětí U1 a U2. Na závěr vybereme takovou kombinaci počtu závitů primární a sekundární cívky, při které výstupní napětí transformátoru odpovídá jmenovitému napětí žárovky. Potom k výstupu transformátoru připojíme žárovku a vyzkoušíme, zda opravdu svítí.
Naměřené hodnoty:
N1
N2
U1 / V
U2 / V
N2 N1
U2 U1
Závěr: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………
…………
LABORATORNÍ PRÁCE
Jméno: ………………………………………… Třída:
…………………………………………
Škola:
ZŠ Schulzovy sady
Datum: …………………………………………
Úloha:
Sestav model transformátoru a ověř jeho činnost.
Příprava:
1. Princip transformátoru Transformátor tvoří dvě cívky (primární a sekundární) na společném jádře. Primární cívku připojíme ke zdroji střídavého napětí a ta vytvoří střídavé magnetické pole. Změny magnetického pole indukují v sekundární cívce střídavé napětí.
2. Pro vstupní a výstupní napětí transformátoru platí vztah:
=
3. Pro vstupní a výstupní proud transformátoru platí vztah:
=
Pomůcky:
Školní zdroj střídavého napětí, sada vodičů, sada pro žákovské pokusy s transformátorem, spínač, žárovka, 2x víceúčelový měřicí přístroj.
Provedení:
Sestavíme obvod podle schématu
~
Vyzkoušíme různé kombinace počtů závitů primární a sekundární cívky N1 a N2. Voltmetry měříme vstupní a výstupní napětí U1 a U2. Na závěr vybereme takovou kombinaci počtu závitů primární a sekundární cívky, při které výstupní napětí transformátoru odpovídá jmenovitému napětí žárovky. Potom k výstupu transformátoru připojíme žárovku a vyzkoušíme, zda opravdu svítí.
Naměřené hodnoty:
N1
N2
U1 / V
U2 / V
N2 N1
U2 U1
200
100
9,01
4,23
0,5
0,47
200
200
9,05
8,72
1
0,96
200
300
8,94
13,2
1,5
1,48
400
100
9,02
2,18
0,25
0,24
400
200
9,01
4,32
0,5
0,48
400
300
8,89
6,53
0,75
0,73
600
100
9,03
1,41
0,17
0,16
600
200
8,97
2,89
0,33
0,32
600
300
8,83
4,25
0,5
0,48
Závěr:
Pokusem jsme potvrdili, že transformátor pracuje pouze se střídavým napětím. Měření prokázalo, že transformační poměr je přibližně roven poměru počtu závitů. Žárovka připojená k výstupním svorkám transformátoru opravdu svítila.
