16. Методика изуч. Перемен. Тока

После изучения свободных электрических колебаний и автоколебаний школьников знакомят с вынужденными электрическими колебаниями.

Должны быть усвоены понятия, именно для цепей переменного тока: действующие значения силы тока и напряжения, их отличие от мгновенных, максимальных и средних значений этих же величин, физическая сущность активных и реактивных сопротивлений и способы их вычисления и экспериментального определения, принципиальное устройство генераторов переменного тока, преобразование напряжения (силы тока) переменного тока с помощью трансформатора и др. Выясняют, опираясь на знания, полученные при изучении механических колебаний, что незатухающий характер вынужденных колебаний обеспечивается периодической внешней силой, действующей на систему. Поясняют, что вынужденные электрические колебания могут вызываться и поддерживаться источником переменной синусоидальной ЭДС -генератором переменного тока. Рассматривают принцип работы такого генератора. С помощью осциллографа учащиеся наблюдают незатухающие колебания напряжения в осветительной сети и делают вывод о синусоидальном характере его изменения. Далее будет изучаться переменный ток - электрические колебания, возникающие в цепи под действием гармонически изменяющегося напряжения. Следует показать, что: а) сила переменного тока, как и постоянного, определяется напряжением на концах цепи и б) процессы в цепях переменного тока низких частот носят квазистационарный характер, т. е. в каждый данный момент сила тока на всех участках цепи одна и та же.

Учащихся подводят к пониманию того, что если на концах цепи напряжение меняется по знаку и модулю (в частности, по гармоническому закону), то в этой цепи ме­няется напряженность электрического поля внутри проводника и по такому же закону, с той же частотой изменяется сила тока в цепи. Далее выясняют вопрос о квазистационарности процессов в цепях переменного тока низкой частоты. Вспоминают с учащимися, что электрическое поле распространяется хотя и с очень боль­шой (с = 3·10⁸ м/с), но все же с конечной скоростью. Подобно тому как в термодинамике квазистатическими являются доста­точно медленные изменения параметров системы, так и в элек­трических цепях переменного тока квазистационарными считают процессы достаточно медленного изменения силы тока или напряжения, т. е. колебания низких частот (от десятков до миллионов герц) для сравнительно небольших расстояний.

Далее рассматривают цепи переменного тока с резистором, катушкой индуктивности и конденсатором. Резистор в цепи переменного тока вызывает необратимые потери энергии (на нагревание, излучение, перемагничивание сердечника и др.). В изучаемых цепях переменного тока низких частот потери мощности на резисторе связаны в основном с нагреванием, а другими дополнительными потерями можно пренебречь.

Цепи переменного тока с резистором, конденсатором и катушкой индуктивности изучают в следующей логической последовательности: сначала дается понятие о том или ином элементе в цепи переменного тока (сравнение с его поведением в цепи постоянного тока), затем фазовые соотношения, формула соответствующего сопротивления, преобразования энергии в цепи, содержащей только резистор, конденсатор или катушку индуктивности.

Понятие действующего значения силы тока и напряжения можно ввести так: вначале выводят выражение для расчета мгновенных значений мощности на резисторе, отсюда находят среднее значение мощности за период и выясняют, что среднее значение квадрата силы тока за период. Вводят определение: корень квадратный из этой величины называют действующим значением переменного тока.

Если вопрос о мощности в цепи переменного тока не рассматривается, то, не прибегая к расчетам, сразу можно дать определение действующего значения переменного тока и его связи с максимальной силой тока: Р=I²R=( )R.

Рассмотрение цепи переменного тока, обладающей смешанным сопротивлением, начинают с эксперимента - измеряют напряжение на каждом из последовательно включенных элементов цепи (лампе, катушке индуктивности и батарее конденсаторов), подключенной к источнику переменного напряжения. Обращают вни­мание на следующие опытные факты: 1.Общее напряжение не равно сумме напряжений на отдельных участках, как это имело место для цепей постоянного тока. 2.Напряжение на участке, включающем в себя катушку и конденсатор, равно не сумме, а разности напряжений на каждом изних в отдельности 3.Полное сопротивление цепи меньше суммы сопротивлений всех включенных в нее элементов (резистора, катушки индуктивности и конденсатора). Полное сопротивление этой цепи зависит от частоты. Получить резонанс напряжений можно, изменяя частоту подаваемого напряжения или подбирая соответствующим образом индуктивность или емкость последовательно соединенной цепи.

В цепи, обладающей чисто индуктивным или чисто емкостным сопротивлением, показания ваттметра близки к нулю и не совпадают с произведени­м показаний амперметра и вольтметра. Элемент с чисто реактивным сопротивлением, ограничивая силу тока в цепи, практически не потребляет энергии.

Далее показывают учащимся тот же опыт, но уже для случая, когда цепь, кроме реактивного, обладает еще и активным сопротивлением (реальная ситуация, в отличие от предыдущей - идеализированной). В этом случае сдвиг по фазе между силой тока и напряжением потребляемая мощность отлична от нуля, хотя и меньше той, которая выделялась в цепи с резистором.

Далее рассматривают устройство и работу трансформатора. На примере однофазного трансформатора показывают его действие (повышение и понижение напряжения) и устройство. Вначале рассматривают режим холостого хода, а затем режим нагрузки.

Далее изучают вопросы передачи электрической энергии в линиях постоянного и переменного тока, ее распределения и использования.