Методична мета:

максимальна активізація пізнавальної діяльності студентів.

З цією метою:

• проводиться активізація студентів до сприйняття нового матеріалу;

• викладання матеріалу на занятті проводиться методом послідовного руху від простого до складного;

• контроль за засвоєнням нового матеріалу проводиться поетапно за блоками.

Тема лекції: Ємність та індуктивність в колі змінного струму.

Питання, що розглядаються:

I Конденсатор в колі змінного струму.

1. Фазові співвідношення в колі з ємністю.Хвильова та векторна діаграми кола.

2. Ємнісний опір. Закон Ома.

II Котушка індуктивності в колі змінного струму.

1. Фазові співвідношення в колі з індуктивністю.Хвильова та векторна діаграми кола.

2. Індуктивний опір. Закон Ома.

Мета лекції:

1. Сформувати знання фазових співвідношень між струмом та напругою в колі змінного струму з ємністю та в колі з індуктивністю, поняття ємнісного та індуктивного опорів.

2. Сформувати способи діяльності: вміти розраховувати ємнісний та індуктивний опори кола змінного струму.

3. Сформувати способи творчої діяльності: вміти аналізувати залежність величини ємнісного та індуктивного опорів від частоти змінного струму.

4. Сформувати розуміння важливості знання розрахунку реактивних опорів в колах змінного струму в предметах спеціального циклу.

I Етап активізації пізнавальної діяльності та підготовки студентів до сприйняття нового матеріалу.

Здійснюється підготовка аудиторії до сприйняття нового матеріалу шляхом постановки питань за матеріалом попередньої теми з акцентом на співвідношення фаз між силою струму та напругою в колі з активним опором.

Питання за попередньою темою:

1. Завдяки яких коливань виникає змінний електричний струм?

2. Які електромагнітні коливання називаються вимушеними?

3. Дати визначення змінного електричного струму.

4. Якими параметрами характеризуються електромагнітні коливання?

5. За яким законом вони змінюються?

6. Які існують фізичні величини, що характеризують змінний струм?

7. Який параметр електричного кола змінного струму вивчили?

8. Яке існує співвідношення фаз між силою струму та напругою в колі з активним опором?

Очікуваний результат:

Студенти повинні знати: визначення змінного електричного струму, фізичні величини, що його характеризують та поняття активного опору в колі змінного струму.

Повинні вміти: розраховувати період змінного струму, циклічну частоту, частоту періодичних коливань, діючі та миттєві значення величин сили струму, напруги, електрорушійної сили.

Студентам пропонується із фізики 1-го курсу пригадати поняття ємності та індуктивності .

Задається питання:

• Вчому полягає фізична суть ємності та індуктивності?

Ємність – фізична величина, що х-є здатність провідника накопичувати ел.заряди.

Індуктивність – величина, яка х-є зв’язок між швидкістю зміни струму в колі та виникаючої при цьому ЕРС самоіндукції і залежить від розмірів, форми та магнітних властивостей середовища.

Студентам повідомляється тема лекції «Ємність та індуктивність в колі змінного струму».

II. Етап викладення нового матеріалу.

Питання I. Конденсатор в колі змінного струму.

1. Фазові співвідношення в колі з ємністю.

На дошці викреслюється схема кола змінного струму з ємністю.

Виникнення змінного електричного струму в такому колі пов’язане з періодично повторюючими процесами заряда та розряда конденсатора.

Студентам задаються питання:

• В чому полягає процес заряда конденсатора та його розряда?

Заряд – накопичення зарядів на обкладках конденсатора;

Розряд – нейтралізація зарядів при з’єднанні його обкладок провідником.

• Чи буде проходити через конденсатор постійний електричний струм? Чому?

Постійний струм через конденсатор не проходить, т.я. його обкладки відокремлені ізолятором.

Розглянемо процеси, що відбуваються в колі змінного струму з ємністю.

- напруга на конденсаторі.

Напруга, підведена в коло змінюється по гармонічному закону

Напруга на конденсаторі дорівнює підведеній напрузі

- заряд, що накопичується на обкладках, змінюється з часом по гармонічному закону.

Оскільки струм в колі є похідною в часі від заряду, що рухається, то:

де

Н а дошці будуються хвильова та векторна діаграми кола змінного струму з ємністю.

Висновок:

• Через конденсатор постійний струм не проходить.

• Між струмом, що проходить через конденсатор та напругою на його обкладках зсув фаз складає , причому коливання струму випереджають по фазі на коливання напруги.

В момент, коли конденсатор заряджається струм максимальний, а напруга =0. По досягненні максимальної напруги, струм = 0 і т.д.

2.Ємнісний опір. Закон Ома.

Опір, зумовлений наявністю електроємності в колі змінного струму, називається ємнісним.

Яка залежність між ємнісним опором та циклічною частотою?

Якщо частоту періодичних коливань збільшити в 10³ раз, як зміниться величина ємнісного опору?

Закон Ома для амплітудних значень:

З’язок між амплітудним значенням сили струму та амплітудним значенням напруги співпадає із законом Ома для постійного струму:

Закон Ома для діючих значень:

Т.я.

Висновок:

• Ємнісний опір існує тільки в колі змінного струму.

• Величина ємнісного опору обернено пропорційна добутку циклічної частоти та електроємності конденсатора.

Розв’язується завдання:

До затискачів генератора приєднаний конденсатор ємністю 0,1 мкФ. Визначити амплітуду напруги на затискачах, якщо амплітуда струму дорівнює 2,2 А, а період струму - 0,2 мс.

Очікуваний результат:

Студенти повинні знати: співвідношення фаз сили струму та напруги в колі з ємністю, поняття ємнісного опору в колі змінного струму, закон Ома для амплітудних та діючих значень кола змінного струму з ємністю.

Повинні вміти: будувати хвильову та векторну діаграми кола змінного струму з ємністю; застосовувати формулу ємнісного опору та закон Ома для розв’язування задач.

Питання ІІ. Котушка індуктивності в колі змінного струму.

1. Фазові співвідношення в колі з індуктивністю.

На дошці викреслюється схема кола змінного струму з індуктивністю.

Вмикання котушки індуктивності в коло змінного струму проявляється як збільшення опору кола зменшення струму в котушці, а внесення в котушку сталевого осердя приводить до більшого послаблення струму.

Питання студентам:

• Чим пояснюється послаблення струму?

При змінному струмі в котушці ввесь час діє ЕРС самоіндукції, що послаблює струм.

• У чому полягає явище самоіндукції?

Явище самоіндукції – це виникнення ЕРС індукції в провідному контурі в результаті зміни в ньому сили струму.

Розглянемо процеси, що відбуваються в колі з індуктивністю.

Якщо ел. опір проводу котушки вважати нескінченно малим, то напруга на котушці рівна по модулю та протилежна за знаком ЕРС самоіндукції котушки:

Згідно із законом самоіндукції, ЕРС самоіндукціі пропорційна похідній по часу від сили струму:

Напруга на кінцях котушки:

,

де

На дошці будуються хвильова та векторна діаграми кола змінного струму з індуктивністю.

Висновок:

• Наявність котушки в колі супроводжується послабленням струму.

• Коливання напруги на котушці випереджають коливання струму на .

В момент, коли U досягає максимального значення, І=0 та навпаки.

2. Індуктивний опір. Закон Ома.

Опір, обумовлений явищем самоіндукції, називається індуктивним.

Яка залежність між циклічною частотою та індуктивним опором?

Закон Ома для амплітудних значень:

Закон Ома для діючих значень:

, т.я.

Висновок:

• Індуктивний опір існує тільки в колі змінного струму.

• Величина індуктивного опору прямопропорційна добутку індуктивності катушки та циклічній частоті.

Індуктивний та ємнісний опори називаються реактивними.

В теорії змінного струму доведено, що при послідовному вмиканні індуктивного та ємнісного опорів, загальний реактивний опір дорівнює їх різниці:

та має індуктивний характер при > , ємнісний при < .

Розв’язується завдання:

Індуктивний опір котушки дорівнює 0,5 кОм. Діюче значення напруги мережі, в яку увімкнено котушку–100 В, частота струму дорівнює 1 кГц. Визначити амплітуду струму в колі та індуктивність котушки.

Очікуваний результат:

Студенти повинні знати: співвідношення фаз сили струму та напруги в колі змінного струму з індуктивністю, поняття індуктивного опору в колі змінного струму, закон Ома для амплітудних та діючих значень кола змінного струму з індуктивністю.

Повинні вміти: будувати хвильову та векторну діаграми кола змінного струму з індуктивністю, застосовувати формулу індуктивного опору та закон Ома розв’язування задач.

ІІІ. Закріплення матеріалу.

Використовуючи плакат студентам пропонується відповісти на запитання:

• Як проявляється вмикання в коло змінного струму котушки із сталевим осердям та батареї конденсаторів?

Котушка: якщо котушку увімкнути в коло змінного струму з діючою напругою, що = напрузі постійного струму, то помітимо , що струм в котушці зменшиться. Введення в котушку сталевого осердя приведе до більшого послаблення струму.

Т.ч., індуктивність кола змінного струму зменшує величину струму.

Т.я. наявність в колі котушки індуктивності збільшує опір кола. Причиною цього є виникаюча в колах змінного струму ЕРС самоіндкції, яка перешкоджає зростанню струму.

Індуктивність в колі змінного струму діє по відношенню до струму так як і опір провідника кола.

Конденсатор: якщо увімкнути батарею конденсаторів в коло змінного струму, то лампа, яка приєднана в це коло буде горіти. Якщо вимкнути – лампа буде горіти ярче. наявність конденсатора в колі змінного струму збільшує опір кола.

Чим більша ємність конденсатора, увімкненого в коло, тим менший опір діє на змінний струм.

IV.Заключний етап.

1. Відповісти на запитання студентів.

2. Рекомендувати підручник для вивчення та закріплення матеріалу:

• Л.С.Жданов, Г.Л.Жданов «Фізика», Москва, «Наука»,1981р., с.324–326.

• А.В.Шепелєв «Фізика»,Айріс Прес, Москва, 1997р., с.78–80.

• Конспект.

• Самостійна робота №13.

Методичне забезпечення:

1. Плакати:

• схема кола змінного струму з ємністю, його хвильлва діаграма;

• схема кола змінного струму з індуктивністю, його хвильова діаграма;

• векторні діаграми кіл змінного струму з реактивними опорами;

• батарея конденсаторів та котушка із стальним осердям в колі змінного струму.

2. Методичні вказівки до виконання самостійних робіт студентів.