Урок з фізики для 9 класу на тему:

генератор постійного струму.

Мета уроку:

Освітня:

Розглянути будову та призначення генератора постійного струму.

Розвиваюча:

Розвивати навчально-інтелектуальні уміння (встановлювати причинно-наслідкові зв'язки, аналізувати, вибирати головне, узагальнювати, робити висновки); навчально-комунікативні уміння (задавати питання, пояснювати і доводити свою точку зору, взаємодіяти в парі); інтерес до предмета шляхом виконання різних завдань: практичних і теоретичних та сприяти розвитку логічного мислення.

Виховна:

Сприяти формуванню наукового світогляду та вихованню культури мислення і мови.

Пробудження пізнавального інтересу до предмета і оточуючим явищам.

Формувати вміння критично, але об'єктивно оцінювати предмети, явища.

Виховання емоційної і доброзичливої атмосфери, вміння працювати в колективі.

Тип уроку:

урок вивчення нового матеріалу.

Демонстрації:

1. Генератор постійного струму.

2. Відеофрагмент: «Машини постійного струму».

План викладення нового матеріалу:

1. Історія винайдення генератора постійного струму.

2. Будова та принцип роботи генератора
   
   

Хід уроку

1.актуалізація опорних знань:

(у вигляді фронтального опитування):

1. Будова й принцип роботи приладів магнітоелектричної системи.

2. Будова й принцип роботи приладів електромагнітної системи.

3. Будова й принцип роботи приладів електродинамічної системи

2.викладення нового матеріалу:

1. Історія винайдення генератора постійного струму.

На кінець першої половини XIX століття були доведені взаємозв'язок між різними явищами природи і взаємоперетворення різних форм руху матерії: встановлений зв'язок теплової і механічної, електричної і теплової, електричної і хімічної, електричної і магнітної форм енергії.

Початок практичному використанню електрики поклали ті сфери застосування, які не вимагали значних витрат електроенергії – телеграфія, телефонія, військова справа (займання порохових зарядів, електричне підривання мін), дистанційне керування та ін. У процесі створення різних пристроїв при цьому використанні електрики важливо було вирішити ряд практичних і теоретичних проблем: удосконалювати джерела струму, створювати різноманітні прилади і пристрої, у тому числі автоматичні, виготовляти ізольовані провідники, досліджувати властивості різних матеріалів, розробляти методи вимірювань, встановлювати одиниці вимірювання величин. Все це привело до розроблення схем і методів, що одержали застосування в сучасній телемеханіці та телекеруванні.

Практично розширення сфери застосування електрики гальмувала відсутність досконалого, економічного джерела електричного струму. Приблизно до 1870 р. найбільш поширеними джерелами електричного струму були електрохімічні (гальванічні) елементи і акумулятори (у 1854 р. німецький лікар В.І. Зінстеден відкрив спосіб акумуляції, а в 1859 р. француз Г. Планте побудував свинцевий акумулятор).

Проблема економічного джерела електричної енергії була вирішена тільки створенням досконалої конструкції електромашинного генератора.

Як наголошувалося раніше, досліди Ерстеда з відхилення магнітної стрілки струмом стали тією іскрою прометеєвого вогню, яку дослідники і винахідники перетворили на величезне полум’я...

Відкриття Фарадеєм в 1831 році явища електромагнітної індукції вказало новий спосіб отримання електричного струму. Вже незабаром після цього відкриття вчені та винахідники стали прагнути до того, щоб застосувати це явище для отримання електрики за допомогою енергії руху.

Магнітоелектрична машина заснована на тому, що електричний струм може бути викликаний без жодної батареї одним пересуванням магніту відносно замкнутих провідників.

Перший винахідник електричного генератора, заснованого на явищі електромагнітної індукції, побажав залишитися невідомим. Відбулося це так. Незабаром після публікації доповіді Фарадея в Королівському товаристві, в якій було викладене відкриття явища електромагнітної індукції, учений знайшов в своїй поштовій скриньці лист, підписаний латинськими буквами Р.М., і прикладене до нього креслення. Воно містило опис першого в світі синхронного генератора із збудженням від постійних магнітів. Уважно розібравшись в цьому проекті, Фарадей надіслав лист і креслення в той же журнал, в якому була надрукована його доповідь. Він сподівався, що невідомий автор, стежачи за журналом, побачить опублікованим свій проект і супроводжуючий його лист Фарадея, винятково високо оцінюючий цей винахід. Дійсно, через майже півроку Р.М. надіслав у редакцію журналу додаткові роз'яснення і опис запропонованої ним конструкції електрогенератора, але і цього разу побажав залишитися невідомим. Ім'я дійсного творця першого електромагнітного генератора так і залишилося прихованим під ініціалами Р.М. Людство дотепер, не дивлячись на ретельні розшуки істориків електротехніки, не знає, кому ж воно зобов'язане одним з найважливіших винаходів.

Машина Р.М. була першим генератором змінного струму і не мала пристрою для випрямлення струму. За допомогою цього генератора вдалося розкласти воду (оскільки струм був змінним, то при електролізі вийшла суміш водню і кисню – гримучий газ). Необхідно було створити машину, в якій можна було б одержувати струм, постійний за величиною і напрямом.

М айже одночасно з невідомим автором конструюванням генераторів займалися в Парижі брати Піксії і професор фізики Лондонського університету, член Королівського товариства В. Річчі. Створені ними машини мали спеціальний пристрій для випрямлення змінного струму в постійний – так званий колектор. Перша магнітоелектрична машина братів Піксії (мал. 1) була побудована в 1832 році. Вона була попередницею всіх динамомашин в широкому сенсі слова, тобто всіх машин, що служать для перетворення енергії руху в електричну енергію. Її слід вважати родоначальницею цілого покоління різноманітних машин, призначених для отримання електричного струму.

Повз нерухомих котушок Е и Е', обладнаних сердечниками, рухаються за допомогою кривошипу і зубчатої передачі полюси підковоподібного магніту АВ, що лежать навпроти них, внаслідок чого в котушках викликаються струми змінного напряму. У генераторі братів Піксії потрібно було обертати важкі постійні магніти, що ускладнювало користування ним. З часом зрозуміли, що доцільніше зробити нерухомими постійні магніти, а легші котушки обертати між полюсами магнітів. Магнітоелектричні генератори такого типу виявилися значно зручнішими і саме в такій конструктивній формі вперше увійшли до практики.

П рагнучи підвищити потужність електричних машин, винахідники збільшували кількість магнітів і котушок. Сильний поштовх до створення потужніших магнітоелектричних генераторів дали дугові лампи з регуляторами, що знайшли застосування на маяках у зв'язку з розвитком морського транспорту. У 1854 році в Парижі була відкрита перша фабрика «Compagnie L’Alliance» по виготовленню крупних магнітоелектричних машин (мал. 2).

У генераторі «Альянс» на чавунній станині були укріплені в декілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані по колу і радіально у відношенні до валу. Різні варіанти таких генераторів мали різне число рядів магнітів (3, 5, 7). У проміжках між рядами магнітів встановлювалися на валу кільця з великим числом котушок-якорів. На валу був укріплений колектор з ізольованими один від одного і від валу машини металевими пластинами. Колекторними щітками служили спеціальні ролики. У машині був передбачений пристрій для зсуву роликів залежно від навантаження.

У генераторі «Альянс» можна було змінювати з'єднання обмоток котушок, внаслідок чого змінювалася е.р.с. в колі. Тому генератор міг давати або великий струм низької напруги і служити, наприклад, для цілей гальванопластики і електролізу, або струм меншої сили, але вищої напруги (40–250 В) для живлення дугових ламп.

Використання постійних магнітів як збудника струму обмежувало можливість збільшення потужності генераторів. Для заміни ж пари електрикою потрібні були потужні електричні машини. Тому в 1851–1867 рр. створювалися генератори, в яких постійні магніти були замінені електромагнітами. Вперше пропозицію щодо заміни постійних магнітів електромагнітами, що збуджуються струмом від магнітоелектричної машини, висловив в 1851 році В. Зінстеден. Так почався другий етап розвитку електрогенераторів, що зайняв порівняно невеликий відрізок часу. У 1856 р. найважливіше удосконалення в конструкцію магнітоелектричної машини, а саме в конструкцію рухомих магнітних котушок і їх залізних сердечників, вніс Вернер Сіменс. Такі котушки із залізом всередині називаються якорем. Сіменс надав якорю зручнішу форму у вигляді «подвійного Т». Якір обертається між полюсами магнітів, що щільно охоплюють його, причому кількість магнітів може бути легко збільшена при відповідному збільшенні довжини якоря. Якір Сіменса дозволив надалі удосконалити конструкцію магнітоелектричної машини (мал. 3).

Н априкінці того ж року Сіменс звернув увагу на те, що залізо сердечника електромагніту зберігає сліди магнетизму і після виключення струму. Цей залишковий магнетизм виявився достатнім для початку процесу самозбудження. Відпала необхідність в окремому генераторі для живлення обмотки електромагніту. Таким чином, Вернер Сіменс встановив принцип створення і побудував першу динамоелектричну машину постійного струму (мал. 4) для підривання мін, яку і продемонстрував наприкінці 1866 р. перед декількома видатними фізиками.

17 січня 1867 р. Сіменс виступив в Берлінській академії наук з доповіддю «Про перетворення робочої сили в електричний струм без застосування постійних магнітів». Ця доповідь закінчувалася словами: «...сучасній техніці надані засоби дешевим і зручним способом викликати електричні струми необмеженої сили всюди, де є робоча сила. Цей факт матиме велике значення в багатьох її галузях».

Великим кроком вперед в розвитку електричних генераторів було відкриття принципу самозбудження, який набув широку популярність після 1867 року. Саме після 1867 року, коли майже одночасно в різних країнах були побудовані генератори із самозбудженням, почався третій етап в розвитку електричного генератора.

Б ельгієць Теофіл Грамм в 1869 р. створив генератор, який набув широкого застосування в промисловості. У своїй динамо-машині Грамм використав принцип самозбудження, а також удосконалив якір Сіменса, надавши йому форму кільця. Він обвив залізне кільце безперервним дротом, кінці якого з'єднав разом, і таким чином одержав спіраль. Обороти спіралі в кожній половині кільця сполучені послідовно, але обидві половини обмотки кільця сполучені протилежно один одному. Струми з обох боків прямують до верхньої точки кільця, утворюючи позитивний полюс. Подібним же чином в нижній точці, звідки беруть свій напрям струми, знаходитиметься негативний полюс. Кільцева машина Грамма (мал. 5) була першою практичною динамомашиною з барабанним якорем.

Така вельми складна конструкція якоря з незначними удосконаленнями використовується і в даний час. Барабанний якір дозволяє досягти кругового шляху проходження максимальної кількості ліній сил, які збуджують струм в обмотці електромагнітів. Грамм запропонував декілька конструкцій своєї машини. В одній з перших його машин кільцевий якір був укріплений на горизонтальному валу. Він обертався між охоплюючими його полюсними наконечниками двох електромагнітів. Якір приводився в обертання через приводний шків. Обмотка електромагніту була включена послідовно з обмоткою. Генератор Грамма давав постійний струм, який відводився за допомогою металевих щіток, що ковзали по поверхні колектора.

2. Будова та принцип роботи генератора

Генератор постійного струму — електрична машина постійного струму, що перетворює механічну енергію на електричну.

Дія генератора постійного струму ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: збудженні змінної електрорушійної сили в обмотці ротора (якоря), при його обертанні в основному магнітному полі, створюваному обмоткою збудження на полюсах. Обмотка ротора з'єднана з колектором, по пластинах якого ковзають контактні щітки, підключаючи обмотку до зовнішнього електричного кола. Розрізняють генератори постійного струму з незалежним збудженням (від стороннього джерела струму) і з залежним збудженням (самозбудженням), зумовленим залишковим магнетизмом у станині й полюсах. Потужність генераторів постійного струму — від кількох ват до десятків тисяч кіловат, напруга — від одиниць до сотень і тисяч вольт. ККД їх при повному навантаженні — від 0,7 (малопотужні генератори) до 0,96 — генератори великої потужності. Генератори постійного струму застосовують для живлення постійного струму електродвигунів, у зварювальних пристроях, електричних установках літаків, тепловозів, автомобілів, у пристроях автоматики (мікрогенератори постійного струму), для електролізу тощо.

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.).

Будова генератора постійного струму:

1 — задній підшипниковий щит; 2 — затискачі; 3 — станина (статор); 4 — головний полюс; 5 — обмотка головного полюса; 6 — вентилятор; 7 — обмотка якоря; 8 — осердя якоря; 9 — колектор; 10 — вал; 11 — траверса із щитковим механізмом; 12 — передній підшипниковий щит

Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у машинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря).

Ротор (якір) машини постійного струму складається з осердя й обмотки.

Я кір машини постійного струму:

а — якір без обмотки; б — сталевий лист осердя якоря: 1 — натискні шайби; 2 — зубець; З — паз; 4 — вентиляційний отвір

Осердя якоря набирають з тонких листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного лаковим покриттям, що зменшує втрати на вихрові струми. У пази осердя вкладають обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зовнішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної міканітовими прокладками. Кожну пластину колектора з'єднують з одним або кількома витками обмотки якоря. Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор — це пристрій, який конструктивно об'єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти.

Б удова колектора:

1 — корпус; 2 — болт; З — натискне кільце; 4 — міканітова прокладка; 5 — «півник»; 6 — «ластівчин хвіст»; 7 — колекторна пластина.

По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмознімні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.

Під час роботи машини щітки ковзають по колектору. Щіткотримачі кріплять до траверси.

Щітковий механізм машини постійного струму:

а — траверса; б — щіткотримач; 1 — щітковий палець; 2 — ізоляція кільця від траверси; 3 — стопорний болт; 4 — мідний провід; 5 — натискні пластини; 6 — місце розміщення пружини; 7 — обойма; 8 — щітка

3.повторення та закріплення матеріалу:

1. Якісні питання

1. Що ми називаємо генератором постійного струму?

2. Назвіть основні частини генератора постійного струму.

3. Де використовують генератори постійного струму?

що ми дізналися на уроці

• Генератор постійного струму — електрична машина постійного струму, що перетворює механічну енергію на електричну.

• Генератор складається зі статора (індуктора, станини), ротора (якоря), колектора, щіток

4. домашнє завдання:

1. Конспект.

2. Підготуватися до контрольної роботи.