Меню

Емкостное сопротивление в цепи переменного тока 11 класс

Емкостное сопротивление.

Емкостное сопротивление в цепи переменного тока — это та часть сопротивления, которая создается конденсатором, включенным в цепь переменного тока (при пренебрежимо малой емкости подводящих прово­дов).

Для получения формулы емкостного сопротивления определим, как меняется сила тока в цепи, содержащей только конденсатор.

Емкостное сопротивление

.

Напряжение на обкладках конденсатора u = φ1 – φ2 = q/C равно напряже­нию на входе цепи, поэтому

Для силы тока, которая определяется как производная заряда q по времени, из (q = C Um cos ωt) полу­чим:

Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре

Между напряжением и силой тока в цепи с конденсатором наблюдается сдвиг фаз на π/2 (), причем ток опережает напряжение. Когда конденсатор разряжается (напряжение на нем равно нулю), ток максима­лен.

Емкостное сопротивление

Амплитуда силы тока равна

Емкостное сопротивление

.

Емкостное сопротивление

называется емкостным сопротивлением. Если вместо амплитуд силы тока и напряжения в (Im = Um ) использовать их действующие значения, то, учитывая , получим:

Емкостное сопротивление

.

Это означает, что действующие значения силы тока и напряжения на конденсаторе связаны так же, как и сила постоянного тока и напряжение согласно закону Ома, причем роль активного сопротивления R играет емкостное сопротивление Хс.

Чем больше емкость конденсатора и частота напряжения, тем меньше емкостное сопротивле­ние и тем больше ток перезарядки.

Благодаря сдвигу фаз между током и напряжением в среднем за период не происходит ни накопления энергии на конденсаторе, ни ее диссипации (рассеяния). За четверть периода, когда конденсатор заряжается до максимального значения, на нем происходит накопление энергии электрического поля; в следующую четверть периода, при разрядке конденсатора, эта энергия возвращается в сеть.

Источник



Конденсатор в цепи переменного тока

При изучении постоянного тока мы узнали, что он не может проходить в цепи, в которой есть конденсатор. Так как конденсатор — это две пластины, разделенные слоем диэлектрика. Для цепи постоянного тока конденсатор будет, как разрыв в цепи. Если конденсатор пропускает постоянный ток, значит, он неисправен.

Рассмотрим, как будет меняться сила тока в цепи, содержащей конденсатор, с течением времени. При этом будем пренебрегать сопротивлением соединяющих проводов и обкладок конденсатора.

Напряжение на конденсаторе будет равняться напряжению на концах цепи. Значит, мы можем приравнять эти две величины.

Видим, что заряд будет изменяться по гармоническому закону. Сила тока — это скорость изменения заряда. Значит, если возьмем производную от заряда, получим выражение для силы тока.

I = q’ = UmC ω cos( ω t+ π /2).

Разность фаз между колебаниями силы тока и заряда, а также напряжения, получилась равной π /2. Получается, что колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на π /2. Это представлено на рисунке.

Из уравнения колебаний силы тока получаем выражение для амплитуды силы тока:

Введем следующее обозначение:

Запишем следующее выражение закона Ома, используя Xc и действующие значения силы тока и напряжения:

Xc — величина, называемая емкостным сопротивлением.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Индуктивность в цепи переменного тока будет влиять на силу переменного тока.

Рассмотрим цепь, в которой есть только катушка индуктивности. При этом значение сопротивления катушки и соединительных проводов пренебрежимо мало.

Выясним, как будут связаны напряжение на катушке с ЭДС самоиндукции в ней. При сопротивлении катушки равном нулю, напряженность электрического поля внутри проводника тоже будет равна нулю. Равенство нулю напряженности возможно.

Напряженности электрического поля создаваемого зарядами Eк будет соответствовать такая же по модулю и противоположно направленная напряженность вихревого электрического поля, которое появится вследствие изменения магнитного поля.

Следовательно, ЭДС самоиндукции ei будет равна по модулю и противоположна по знаку удельной работе кулоновского поля.

Следовательно: ei = -u.

Сила тока будет изменяться по гармоническому закону: I = Im sin(ωt).

ЭДС самоиндукции будет равна: Ei = -Li’ = -L ω Im cos( ω t).

Следовательно, напряжение будет равно: U = L ω Im cos( ω t) = L ω Im sin( ω t+ π /2).

Im = Um /(ωL). Введем обозначение XL = ωL. Эта величина называется индуктивное сопротивление.

Источник

Тема урока: «Цепь переменного тока, содержащая емкостное сопротивление»
презентация к уроку по физике (11 класс) на тему

Урок изучения нового материала. Форма организации обучения новому материалу на уроке осуществляется на основе комлексного подхода к использованию современных информационных технологий и демонстрационного эксперимента. Очень интересный демонстрационный эксперимент разработан на основе работ народного учителя СССР, кандидата педагогических наук, директора ученической учебно — методической и производственной фирмы «Импульс», руководителя Всероссийской авторской школы повышения квалификации учителей физики П.П. Головина и заказанного в его фирме через интернет «Демонстрационного комплекта по электродинамике».

Скачать:

Вложение Размер
tema_uroka_-_kopiya.ppt 858.5 КБ
moy_urok.docx 339.23 КБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Предварительный просмотр:

Тема урока
Цепь переменного тока, содержащее емкостное сопротивление

Цель урока: изучить механизм протекания переменного тока в цепи, содержащей ёмкостное сопротивление

  1. образовательная — формирование представлений о процессах протекания переменного тока через электротехническое устройство — конденсатор, обладающим емкостным сопротивлением переменному электрическому току;
  2. развивающая — развитие логического мышления, развитие у учащихся умений анализировать информацию, ставить проблему, выдвигать гипотезу, систематизировать и обобщать результаты эксперимента, делать выводы.
  3. воспитательная — развитие научного мировоззрения, формирование представления о возможности применения данного устройства в электротехнике.

Оборудование: компьютер, мультимедиа — проектор, экран, макетная панель; лампа 6В,0,3 А; конденсатор 500 — 1000 мкФ; демонстрационный вольтметр ( добавочный резистор «15 V» и «

15V»); соединительные провода — 5 штук, выпрямитель В — 24; ключ, мультиметр.

Продолжительность урока — 40 минут.

Тип урока: урок изучения нового материала

Раздел темы «Электромагнитные колебания».

1. Организационный момент

• постановка цели, которая должна быть достигнута учащимися на данном этапе урока (что должно быть сделано учащимися, чтобы их дальнейшая работа на уроке была эффективной)

• определение целей и задач, которых преподаватель хочет достичь на данном этапе урока;

• описание методов организации работы учащихся на начальном этапе урока, настроя уч-ся на учебную деятельность, предмет и тему урока (с учетом реальных особенностей класса).

2. Изучение нового учебного материала.

• постановку конкретной учебной цели перед учащимися (какой результат должен быть достигнут учащимися на данном этапе урока);

• определение целей и задач, на данном этапе урока;

• изложение основных положений нового учебного материала, который должен быть освоен учащимися (на основе содержания данного пункта эксперт выносит суждение об уровне владения педагогом предметным материалом);

• описание форм и методов представления нового учебного материала

3. Закрепление учебного материала

• постановка конкретной учебной цели перед учащимися (какой результат должен быть достигнут учащимися на данном этапе урока);

• определение целей и задач на данном этапе урока;

• описание форм и методов достижения поставленных целей в ходе закрепления нового учебного материала с учетом индивидуальных особенностей учащихся, с которыми работает педагог.

4. Задание на дом, включающее:

• постановку целей самостоятельной работы для учащихся (что должны сделать учащиеся в ходе выполнения домашнего задания);

• определение целей, которые хочет достичь учитель, задавая задание на дом.

5. Подведение итогов, выставление оценок .

На уроке соблюдается техника безопасности при выполнении демонстрационного физического эксперимента.

закрепление понятия переменного тока и характеристик переменного тока;

изучение механизма протекания переменного тока в цепи с конденсатором;

доказательство существование емкостного сопротивления;

установление характера зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного тока и емкости конденсатора.

1. Организационный момент

Сообщение темы урока, формулировка целей и задач урока, методы организации работы учащихся, мотивация учебной деятельности учащихся.

2. Изучение нового материала

Обучение по данной теме осуществляется в три этапа.

  1. Первый этап: изучить механизм протекания переменного тока в цепи с конденсатором.
  2. Второй этап: доказать существование емкостного сопротивления;
  3. Третий этап: установить характер зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного тока и емкости конденсатора.
  4. Четвертый этап: проанализировать увиденные физические эксперименты, постараться систематизировать и обобщить результаты эксперимента, а самое главное, сделать выводы.

Блок — схема, по которой происходит изучение нового материала «Цепь переменного тока, содержащее емкостное сопротивление».

Организация первого учебного блока

Конденсатор в цепи постоянного и переменного тока

Цель учебного блока: Изучить механизм протекания переменного тока в цепи с конденсатором. Изучение учебного блока необходимо реализовать по схеме 2.

Согласно блок- схеме № 2 учащимся необходимо проанализировать физический эксперимент, который столкнёт их с некоторой проблемой. Для разрешения возникшей проблемы им необходимо выдвинуть гипотезу и осуществить её теоретическое обоснование или опровергнуть выдвинутую ранее гипотезу. Затем учащиеся должны проанализировать полученные результаты и сформулировать соответствующие выводы. Таким образом, согласно представленной схеме, физический эксперимент выступает способом постановки проблемы, гипотезы. В таблице 1 представлено подробное описание структурных элементов схемы 2.

Организация физического эксперимента

Конденсатор в цепи постоянного и переменного тока

Оборудование: макетная панель; лампа 6В,0,3 А; конденсатор 500 — 1000 мкФ; демонстрационный вольтметр ( добавочный резистор «15 V» и «

15V»); соединительные провода — 5штук, выпрямитель В-24; ключ.

Используя макетную панель, собрать две электрические цепи.

Собирается цепь (схема № 1), где последовательно соединенные лампы HL и конденсатор С включены к источнику постоянного тока. Включив цепь, обращается внимание на то, что вольтметр показывает наличие напряжение, но лампа не горит. (конденсатор, обкладки, которого разделены диэлектриком, постоянного тока не пропускает)

Учащиеся записывают число и тему урока в тетрадь.

Конденсатор в цепи постоянного и переменного тока

Рисуют схему № 1 электрической цепи в тетрадь.

Учащиеся наблюдают, что при включении постоянного напряжения лампа не светится.

Делают соответствующую запись под данной схемой в тетрадь.

2. Переключив эту цепь к сетевому источнику переменного тока (схема № 2) Полярность включения конденсатора любая. Лампа горит, конденсатор проводит ток.

Учащиеся наблюдают, при включении переменного напряжения лампа загорается.

Рисуют схему № 2 электрической цепи в тетрадь.

Делают запись, при включении переменного напряжения лампа загорается.

Освоение учебного материала рекомендуется начать с актуализации знаний, поэтому учащимся необходимо повторить основные характеристики переменного тока, характеристики конденсатора.

Учащимся предложить ответит на следующие вопросы:

1) Какой ток называется переменным?

2) Что представляет собой конденсатор?

3) Как устроен конденсатор?

Этап постановки проблемы

Необходимо сформулировать проблему, с которой столкнулись в результате проведения физического эксперимента.

Учащиеся формулируют проблему:

Почему постоянный электрический ток не течёт в цепи с конденсатором, а переменный течёт?

Этап формулировки гипотезы

Дать объяснение наблюдаемому явлению.

В цепи, содержащей конденсатор, постоянный ток протекать не может, т.к. цепь оказывается разомкнутой. Между пластинами конденсатора находится диэлектрик, где нет свободных носителей заряда, так что конденсатор является разрывом для цепи постоянного тока. Зазор между пластинами конденсатора аналогичен пробке в водопроводной системе, которая не позволяет воде циркулировать. В тоже время пробка не мешает жидкости заполнять систему, а также сливать жидкость.

При зарядке и разрядке конденсатора заряженные частицы перемещаются по проводникам, соединяющим пластины конденсатора, но не перемещаются в зазоре между ними. Если в цепь переменного тока включить конденсатор, переменный ток не исчезает, как это случилось с постоянным током. В цепи будет продолжать течь ток заряда или разряда конденсатора, т.е. переменный ток ме жду ними.

Учащиеся выдвигают различные гипотезы:

1) конденсатор в цепи постоянного электрического тока электрический ток не пропускает , т.к. обкладки конденсатора разделены диэлектриком;

2) под действием переменного тока происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора.

Проанализировать полученные результаты и сформулировать вывод.

1) конденсатор в цепи постоянного электрического тока электрический ток не пропускает , т.к. обкладки конденсатора разделены диэлектриком;

2) в цепи с конденсатором может протекать только переменный ток, благодаря постоянной перезарядке конденсатора.

Вывод записывается в тетрадь.

Организация второго учебного блока

Цель учебного блока: Доказать с помощью физического эксперимента существование ёмкостного сопротивления конденсатора. Изучение учебного блока необходимо реализовать по блок — схеме № 3

Понятие ёмкостного сопротивления

Величина этого тока зависит от емкости конденсатора — С. Чем больше емкость, тем больше ток заряда и разряда. Следовательно, конденсатор можно рассматривать как некоторое сопротивление переменному току, возникающее вследствие того, что при заряде конденсатора между его обкладками возникает напряжение (Uc), направленное навстречу напряжению, которое приложено на зажимах. Это дополнительное сопротивление, вносимое конденсатором в цепь, называется емкостным сопротивлением.

Обозначается оно буквой — Х С

Буквой Х обозначают реактивные сопротивления. Это сопротивления электротехнических устройств, связанных с запасом энергии.

Закон Ома справедлив и для цепей переменного тока, содержащее ёмкостное сопротивление

Единицей измерения емкостного сопротивления является Ом.

Найдем емкостное сопротивление, собрав схему №3.

Измерив напряжение, силу тока на участке цепи, содержащей конденсатор результаты записать в таблицу.

Источник

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 8. Переменный электрический ток

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Свойства переменного тока;

2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;

3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;

4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.

Глоссарий по теме

Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Величину ХC, обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.

Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.

Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.

Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.

При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.

𝒾 — мгновенное значение силы тока;

m— амплитудное значение силы тока.

– колебания напряжения на концах цепи.

Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Um — амплитудное значение напряжения.

Действующие значения силы тока и напряжения:

Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.

Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно

Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:

Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.

Мощность цепи переменного тока

Величина cosφ – называется коэффициентом мощности

Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.

Дано: e=80 sin 25πt.

Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону

Согласно данным нашей задачи:

Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

Подставляем числовые данные:

2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?

Напишем закон Ома для переменного тока:

Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать Im=Um/Z?

Полное сопротивление цепи равно:

Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:

то после вычислений получаем Im ≈0,09 Ом.

2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.

Источник

Читайте также:  Билеты первая помощь пострадавшему от поражения электрическим током