Wskazówki dla nauczyciela

Wprowadzenie

Transformator to maszyna elektryczna, które przekazuje energię pomiędzy dwoma obwodami na drodze wzajemnej indukcji elektromagnetycznej. Nasz transformator składa się z dwóch cewek nawiniętych na wspólny rdzeń wykonany z laminowanego żelaza i przewodzący strumień magnetyczny.
Prąd przemienny przepływający przez cewkę pierwotną wytwarza zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu transformatora. Następnie ów strumień magnetyczny przechodzi przez cewkę wtórną indukując w niej siłę elektromotoryczną. Ją z kolei możemy zaobserwować jako napięcie pojawiające się na wyprowadzeniach cewki wtórnej lub, jeśli transformator jest podłączony do odbiornika prądu, jako prąd płynący przez odbiornik.
Wyindukowane napięcie można obliczyć z prawa indukcji elektromagnetycznej Faraday’a jako V = N dФB/dt. Celem doświadczenia jest potwierdzenie prawdziwości równania opisującego przekładnię transformatora dla liczby zwojów cewki wtórnej większej od liczby zwojów cewki pierwotnej.

Pojęcia:

• Indukcyjność
• Transformatory
• Prawo Faraday’a

Wymagane elementy (zawarte w zestawie):

Symbol	Nazwa części	Ilość
1b	Rdzeń żelazny	1
1a	Podstawa transformatora	1
9	Cewka, 600 zwojów	1
10	Cewka, 1200 zwojów	1
14,17	Przewody z wtyczkami bananowymi	6

Wymagane elementy (nie zawarte w zestawie):

Nazwa części	Ilość
Zasilacz prądu zmiennego (0-15 V)	1
Miernik cyfrowy	2

Przebieg doświadczenia:

1. Wprowadź wkręcany rdzeń żelazny przez otwór w górnej części podstawy z tworzywa sztucznego. Obróć podstawę do góry nogami i nałóż podkładkę na końcówkę śruby. Następnie załóż i dokręć nakrętkę. Zdejmij zworę rdzenia, nałóż cewkę o 600 zwojach na lewą kolumnę a cewkę o 1200 zwojach na prawą kolumnę. Nałóż z powrotem zworę i bolec. Zabezpiecz je dokręcając śrubę motylkową.

2. Podłącz ujemne i dodatnie wyprowadzenia zasilacza prądu zmiennego odpowiednio do górnego i środkowego wyprowadzenia cewki o 600 zwojach jak pokazano na rycinie 1.1. W takiej konfiguracji liczba zwojów w cewce pierwotnej wynosi 300.

ryc 1.1

3. Podłącz miernik cyfrowy do cewki pierwotnej oraz do górnego i środkowego wyprowadzenia cewki wtórnej jak pokazano na rycinie 1.2. W ten sposób uzyskujemy odczyt z cewki wtórnej o 600 zwojach. Ustaw każdy z mierników na 200 V/AC. Schemat takiego obwodu przedstawiono na rycinie 1.3

Ryc 1.2

Ryc 1.3

4. Włącz zasilacz prądu zmiennego z napięciem początkowym w granicach 2,0 V.

5. Równomiernie zwiększaj napięcie aż dojdziesz do maksimum zasilacza. W tabeli poniżej zapisuj wartości napięcia zmierzonego na cewce pierwotnej i wtórnej. Zapisz dane dla co najmniej sześciu pomiarów:

6. Zmniejsz napięcie zasilacza do 0 V. Przełącz wyprowadzenia woltomierza tak, aby obejmowały całe 1200 zwojów cewki wtórnej. Zwiększ napięcie zasilacza do wartości początkowej w granicach 2,0 V. Następnie równomiernie zwiększaj napięcie aż dojdziesz do maksimum zasilacza. W tabeli poniżej zapisuj wartości napięcia zmierzonego na cewce pierwotnej i wtórnej. Zapisz dane dla co najmniej sześciu pomiarów.

7. Zmniejsz napięcie zasilacza do 0 V. Przełącz wyprowadzenia zasilacza i woltomierza tak, aby obejmowały całe 600 zwojów cewki pierwotnej. Zwiększ napięcie zasilacza do wartości początkowej w granicach 2,0 V. Następnie równomiernie zwiększaj napięcie aż dojdziesz do maksimum zasilacza. W tabeli poniżej zapisuj wartości napięcia zmierzonego na cewce pierwotnej i wtórnej. Zapisz dane dla co najmniej sześciu pomiarów.

Obliczenia:

1. Na osobnym arkuszu papieru milimetrowego wykreśl zależność napięcia wtórnego (na osi y) od napięcia pierwotnego (na osi x) dla każdego układu cewek.

Wykres 1

Wykres 2

Wykres 3

2. Oblicz nachylenie linii trendu dla każdego z trzech uzyskanych wykresów.

Nachylenie powinno wynosić mniej więcej Nw/Np

3. Równanie opisujące zależność między napięciem po stronie pierwotnej i wtórnej ma postać: Vw = (Nw/Np) Vp, gdzie Vs to napięcie na cewce wtórnej, Vp to napięcie na cewce pierwotnej, Nw to liczba zwojów cewki wtórnej, a Np to liczba zwojów cewki pierwotnej. Zastosuj to równanie i uzupełnij w trzech tabelach powyżej wartość teoretyczną napięcia na cewce wtórnej.

4. Oblicz błąd procentowy dla każdej z par wartości doświadczalnej i teoretycznej napięcia i zapisz go w tabeli powyżej. W polu poniżej przedstaw przykład obliczeń:

błąd % = (wartość zaobserwowana – wartość teoretyczna}/wartość teoretyczna • 100= {3,9 – 3,8)/3,8• 100= 2,63 %

Pytania:

1. Dla każdej z par cewek w tym zadaniu liczba zwojów cewki pierwotnej była mniejsza niż liczba zwojów cewki wtórnej. Taki rodzaj transformatora nazywamy transformatorem dodawczym . Co, zgodnie z nazwą, rośnie przy jego zastosowaniu?

Przy zastosowaniu tego rodzaju transformatora rośnie napięcie w cewce wtórnej

2. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faraday’a między prędkością zmiany w czasie strumienia magnetycznego ФB przechodzącego przez cewkę a napięciem lub wyindukowaną w niej siłą elektromotoryczną zachodzi następujący związek: V = N dФB /dt, gdzie N to liczba zwojów cewki. Załóżmy, że cały strumień magnetyczny wyindukowany przez cewkę pierwotną przechodzi przez cewkę wtórną i przy tym założeniu wyprowadźmy wzór, który powiąże wartości napięcia w obu tych cewkach.

Cewka pierwotna: Vp = NpdФB/dt,
Cewka wtórna: Vw = Nw dФB/dt,
Ponieważ zakładamy, że strumień magnetyczny przechodzący przez obie cewki jest identyczny, możemy wyznaczyć dФB/dt, oraz między dwoma równaniami postawić znak równości.
Vp/Np = Vw/Nw
Wyznaczamy Vs:
Vw = (Nw/Np) Vp

3. Sądząc po zebranych danych, czy założenie, że nie ma lub prawie nie ma strat strumienia magnetycznego jest prawidłowe? Korzystając z danych przestaw poniżej uzasadnienie odpowiedzi.

Sądząc po niewielkiej wartości błędu procentowego między wartościami doświadczalnymi i teoretycznymi
napięcia w cewce wtórnej, w transformatorze zwiększającym napięcie strata strumienia magnetycznego jest bardzo mała.

Karta pracy

Doświadczenie 1 TRANSFORMATOR DODAWCZY

Przebieg doświadczenia:

1. Wprowadź wkręcany rdzeń żelazny przez otwór w górnej części podstawy z tworzywa sztucznego. Obróć podstawę do góry nogami i nałóż podkładkę na końcówkę śruby. Następnie załóż i dokręć nakrętkę. Zdejmij zworę rdzenia, nałóż cewkę o 600 zwojach na lewą kolumnę a cewkę o 1200 zwojach na prawą kolumnę. Nałóż z powrotem zworę i bolec. Zabezpiecz je dokręcając śrubę motylkową.

2. Podłącz ujemne i dodatnie wyprowadzenia zasilacza prądu zmiennego odpowiednio do górnego i środkowego wyprowadzenia cewki o 600 zwojach jak pokazano na rycinie 1.1. W takiej konfiguracji liczba zwojów w cewce pierwotnej wynosi 300.

ryc 1.1

3. Podłącz miernik cyfrowy do cewki pierwotnej oraz do górnego i środkowego wyprowadzenia cewki wtórnej jak pokazano na rycinie 1.2. W ten sposób uzyskujemy odczyt z cewki wtórnej o 600 zwojach. Ustaw każdy z mierników na 200 V/AC. Schemat takiego obwodu przedstawiono na rycinie 1.3

Ryc 1.2

Ryc 1.3

4. Włącz zasilacz prądu zmiennego z napięciem początkowym w granicach 2,0 V.

5. Równomiernie zwiększaj napięcie aż dojdziesz do maksimum zasilacza. W tabeli poniżej zapisuj wartości napięcia zmierzonego na cewce pierwotnej i wtórnej. Zapisz dane dla co najmniej sześciu pomiarów.