Преобразовании механической энергии

Введение

Изучение дисциплины «Общая электротехника и электроник» для студентов высших учебных заведений предусмотрено федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 19 060 Эксплуатация транспортно — технологических машин и комплексов (квалификация (степень) «Бакалавр»)

Настоящий федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) представляет собой совокупность требований, обязательных при реализации основных образовательных программ бакалавриата по направлению подготовки 190 600 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов образовательными учреждениями высшего профессионального образования (высшими учебными заведениями, вузами) на территории Российской Федерации, имеющими государственную аккредитацию.

Область профессиональной деятельности бакалавров по направлению подготовки 190 600 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов включает в себя области науки и техники, связанные с эксплуатацией, ремонтом и сервисным обслуживанием транспортных и транспортно-технологических машин различного назначения (транспортных, подъемно-транспортных, портовых, строительных, дорожно-строительных, сельскохозяйственных, специальных и иных машин и их комплексов), их агрегатов, систем и элементов.

1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 190 600 эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов (КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) «БАКАЛАВР»)

Дисциплина «140 448 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)» включена в профессиональный цикл общепрофессиональных дисциплин:

Выписка

2. План-конспект ЛАБОРАТОРНО-практического занятия

1. Дисциплина: «Общая электротехника и электроника»

2. Тема раздела: Преобразовании механической энергии

3. Тема занятия: Генератор переменного тока

4. Норма времени: 2 ч.

5. Тип занятия: лабораторно-практическое

6. Форма организации обучения: групповая

7. Цель занятия: научить выполнять сборку простейшего генератора. определение переменного тока, параметры, характеризующие ток (амплитуда, период, частота, фаза), сформировать умение аналитическим и графическим методом определять параметры переменного тока;

8. Задачи:

Образовательная — повторить устройство и принцип работы простейшего генератора.

Развивающая — развивать техническое мышление, кругозор, познавательный интерес, конструктивное мышление.

Воспитывающая — воспитывать умение работать с технической документацией, аккуратность, точность при выполнении чертежей.

9. В результате проведения занятия обучающийся должен

знать: технику безопасности, принцип работы генератора;

уметь: работать согласно методическими указаниями, выполнять сборку механических элементов.

владеть: навыками мышления, основами электростатики и механики.

10. Методы обучения: словесные (объяснение), наглядное (демонстрация) т.д.

11. Материально-техническое обеспечение урока — методическими указаниями «Последовательность сборки простейшего генератора», осциллограф, модель простейшего генератора.

12. Межпредметные связи: графика, детали машин, математика и т. д.

13. Норма времени: 2 часа

14. Тип занятия: лабораторно практическая.

Структура занятия: — 90 мин.

1. Организационный момент (2−3мин.).

2. Сообщение темы, цели, задачи урока; мотивация учебной деятельности.(5−8 мин.).

3.Лабораторно — практическая работа (65−70 мин.).

4. Закрепление изученного материала (5−7 мин.).

5. Подведение итога занятия (3−5мин.).

Ход занятия:

1. Организационный момент (5−7мин.).

Приветствие. Отметка присутствующих.

2. Сообщение темы, цели, задачи занятия; мотивация учебной деятельности.(3 мин.).

3. Лабораторно практическая работа (65−70мин.).

После того как преподаватель проверил готовность студентов, он просит открыть тетради и записать тему лабораторно практической работы.

3. Конспект

Генераторами называются машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.

Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.

Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.

Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в дальнейшем будем называть рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если такой рамке сообщить вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые линии и в них будет индуктироваться ЭДС.

Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле Присоединив к рамке при помощи мягких проводников электрическую лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка загорится. Горение лампочки будет продолжаться до тех пор, пока рамка будет вращаться в магнитном поле. Подобное устройство представляет собойпростейший генератор, преобразующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электрическую энергию.

Такой простейший генератор имеет довольно существенный недостаток. Через небольшой промежуток времени мягкие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтобы избежать подобных разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся вместе с рамкой.

Эти кольца получили название контактных колец. Отведение электрического тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки называются щетками.

генератор электрический ток индуктирование Рис. 2. Направление индуктированной ЭДС (и тока) в проводниках, А и Б рамки, вращающейся в магнитном поле: 1 и 2 — контактные кольца, 3 и 4 — щетки.

При таком соединении вращающейся рамки с внешней цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.

Рассмотрим теперь направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС или, что-то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой внешней цепи.

При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ — из-за плоскости чертежа на нас.

Так как обе половины проводника рамки соединены между собой последовательно, то индуктированные ЭДС в них будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.

Проследим за изменением индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, повернется на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться вдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в них прекратится.

Дальнейший поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки снова будут пересекать силовые линии магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу вверх, а сверху вниз, проводник же ВВ, наоборот, будет пересекать силовые линии, двигаясь снизу вверх.

Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.

При новом положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ изменится на обратное. Это следует из того, что самое направление, в котором каждый из этих проводников пересекает в этом случае магнитные силовые линии, изменилось. В результате полярность щеток генератора также изменится: щетка 3 станет теперь положительной, а щетка 4 отрицательной.

Вращая рамку дальше, снова будем иметь движение проводников АА и ВВ вдоль магнитных силовых линий, а в дальнейшем — повторение всех процессов сначала.

Таким образом, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС дважды меняла свое направление, причем величина ее за это же время также дважды достигала наибольших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и дважды равнялась нулю (в моменты движения проводников вдоль магнитных силовых линий).

Вполне понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой внешней цепи изменяющийся по направлению и величине электрический ток.

Так, например, если к зажимам данного простейшего генератора присоединить электрическую лампочку, то за первую половину оборота рамки электрический ток через лампочку будет идти в одном направлении, а за вторую. половину оборота — в другом.

Рис. 4. Кривая изменения индуктированного тока за один оборот рамки Представление о характере изменения тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электрический ток, непрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит название переменного тока.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью. Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок5) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и

Где рис. 5 В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

и — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

 — магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

 — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

 — линейная скорость, с которой магнитные линии магнитного поля движутся по окружности радиусом в метрах в секунду;

 — время в секундах;

и — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна, то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Можно преобразовать формулу, выразив её через максимальный магнитный поток, пронизывающий контур.

Относительная линейная скорость активных сторон равна произведению радиуса вращения на угловую скорость, то есть .

Тогда получим

где

 — амплитуда синусоидальной электродвижущей силы;

 — фаза синусоидальной электродвижущей силы;

 — угловая скорость синусоидальной электродвижущей силы, в данном случае равная угловой скорости вращения магнита в контуре.

С учётом того, что контур состоит из многих витков провода, электродвижущая сила пропорциональна количеству витков и формула будет выглядеть так: .

4. Лабораторно — практическая часть

Изучить методом наблюдения процесс изменения энергии с механического в электрическую. Преподаватель в моделе показывает принцип действия и ход работы простейшего генератора.

Студенты наблюдают, изучают переменные токи с помощью осциллографа. Демонстрация синусоиды, которая получается при определенной настройке прибора.

Напряжение изменяется по гармоническому закону (из опытов с осциллографом).

Значит, напряженность электрического поля внутри проводника меняется по тому же закону. Изменения поля вызывают гармонические колебания силы тока. Хотя поле и распространяется с огромной скоростью, все-таки при изменении напряжения поле не меняется мгновенно во всей цепи. Хотя приближенно это считается мгновенным распространением.

Рассмотрим простейший генератор в котором, магнитный поток Ф, пронизывает проволочную рамку S. Магнитный поток зависит (прямо пропорционально) от QUOTE между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции. Ф =B S QUOTE

При вращении (равномерном) угол б увеличивается со временем: б = 2рnt; n — частота вращения. Перепишем первую формулу: Ф = В S QUOTE

В этой формуле 2рn=щ — число колебаний магнитного потока или циклическая частота.

Значит, Ф= В S QUOTE. Найдем производную потока магнитной индукции по времени:

e= - Ф?= - B S (= В Sщ QUOTE = оM QUOTE; где оM= В S щ — амплитуда ЭДС индукции. По аналогии запишем: u=UM QUOTE; u= UM QUOTE UM — амплитуда напряжения или максимальное по величине значение напряжения.

Так как переменное напряжение имеет частоту щ, то и сила тока имеет ту же частоту.

Колебания тока и напряжения не всегда совпадают по фазе. Для cилы тока формула примет вид: i= IM QUOTE. IMамплитуда силы тока;

О практическом применении вынужденных электромагнитных колебаниях.

5. Задания

По данному изученному материалу выполнить задания в методических указаниях.

Задание № 1

Вариант — 1

№ 1 В каких случаях можно получить незатухающие электромагнитные колебания в контуре?

А) При R =0 — контур не имеет сопротивления; Б) При периодической подаче энергии в контур; В) При выполнении или условия (А), или условия (Б)

№ 2. В колебательный контур включили катушку переменной индуктивности. Какая величина, создаваемых контуром колебаний при этом изменится?

А) Амплитуда; Б) Энергия; В) Частота

№ 3. Как изменится период колебаний контура, если пластины конденсатора, включенного в данный контур, сближают?

А) Уменьшится. Б) Останется без изменения. В) Увеличится

№ 4. Если индуктивность в контуре уменьшить в 3, а емкость в 3 раза увеличить, что произойдет с собственными колебаниями в контуре? Считать сопротивления контура R= 0.

А) Ничего не изменится. Б) Изменится частота колебаний. В) Изменится амплитуда.

№ 5 В колебательном контуре заряд на обкладках конденсатора меняется по закону:

q = 2· 10−6 р t) Кл. Найти частоту и период колебаний, амплитуду колебаний заряда, записать уравнение для силы тока в контуре от времени.

А) q = 2 мкКл, щ = 10? р рад/с, Т = 0,2 мс, г = 5 кГц, I = 0,0628 QUOTE

Б) q = 4 мкКл, щ = 10Ір рад/с, Т =0,4 мс, г = 2,5 кГц, i= 0,0314cos (102р t +р/4)

Вариант — 2

Конденсатор зарядили, а потом заряд уменьшился в 2 раза. Как при этом изменилась полная энергия электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки?

А) Уменьшилась в 2 раза. Б) Увеличилась в 2 раза. В) Уменьшилась в 4 раза.

№ 2. При работе колебательного контура разность потенциалов на конденсаторе увеличилась на 20 В при увеличении силы тока в 2 раза. Чему равно начальное напряжение?

А) 20 В, Б) 10 В. В) 40 В.

№ 3. В колебательный контур включили конденсатор переменной емкости. Какая величина, создаваемых контуром колебаний при этом изменится?

А) Энергия. Б) Частота. В) Амплитуда.

4) В катушку колебательного контура ввели железный сердечник. Как при этом изменилась частота электромагнитных колебаний контура?

А) Увеличится. Б) Останется прежней. В) Уменьшится.

5) В колебательном контуре заряд на обкладках конденсатора меняется по закону:

q= 0, 002 QUOTE Кл.

найти частоту и период колебаний, амплитуду колебаний заряда, записать уравнение для силы тока в контуре от времени.

А) q= 2· 10−3Кл, щ = 104р рад/с, Т =2 · 10−4с, г =5 кГц, I = 0,628 QUOTE

Б) q= 2· 10І Кл, щ = 10? рt рад/с, Т= 4· 10І с, г = 3 кГц, I = 0.0314 QUOTE

Задание № 2

— На методических указаниях, розданных учащимся, с правой стороны хаотично расположены правильные ответы; с левой стороны записаны формулы, законы, выражения величин, по изученной теме.

Список использованной литературы

1. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины.

Введение

в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов. — СПб: «Питер», 2008. — 320 с.

2. ГилемашаваА. Г. «Молекулярная физика и термодинамика» Издательство Юрайт; ИД Юрайт, 2011; 128 с.

3. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по специальности 140 448 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 2010 г.