Az elektormágneses indukció, a váltakozó áram

1. Fizika óra Az elektormágneses indukció, a váltakozó áram

2. Használat Ugrás a vetítés elejére Ugrás a 3. diára Ugrás a vetítés végére Ugrás a 4. diára Előző dia Ugrás a 10. diára Következő dia Ugrás az utoljára megtekintett diára

3. Tartalom I. Óravázlat 4 II. Tevékenységek 6 1. Motiváció 7 2. Korábbi ismeretek 8 3. Új ismeretek 9 4. Ellenőrzés 19 5. Összefoglalás 20 6. Értékelés 21 7. Tesztek 22 8. Eredményességi mutató 25

4. Óravázlat I. Tantárgy, osztály: Fizika, 8. oszt. II. Témakör: Az elektromágneses indukció, a váltakozó áram III. Téma: A transzformátor IV. Az óra típusa: Frontális munka

5. Óravázlat V. Nevelési cél: Az elektromos áram biztonságos felhasználására nevelés. VI. Fejlesztési cél: Megismerni az elektromos áram keletkezésének, szállításának és felhasználásának logikus sorrendjét. VII. Módszerek: Tanári magyarázat, frontális foglalkozás, csoportos megbeszélés VIII. Eszközök: Tankönyv, projektoros kivetítő, filmvetítés

6. Tevékenységek • Motiváció • Korábbi ismeretek felelevenítése • Új ismeretek feldolgozása Ellenőrzés • Összefoglalás • Értékelés

7. Motiváció • Az emberiséget ősidők óta foglalkoztatja a villám és, annak keletkezése. • Már 1753-ban Benjamin Franklin sokoldalú amerikai természettudós fizikusként kísérletezett a villámlással és következtetéseket vont le. • Napjainkban a legdinamikusabban fejlődő tudományág a fizikán belül az elektromosságtan. • Felhasználási területe a mikroelektronikától a hétköznapi felhasználásig mindenhol jelen van. • Az elektromosság a legsokoldalúbban és leggyakrabban felhasznált energiaforma.

8. Korábbi ismeretek felelevenítése • Kétféle elektromos töltést különböztetünk meg: pozitív és negatív. • Az elektromos jelenségek hatása, mágneses jelenségben is megnyilvánulhat. • Az elektromos mezőnek energiája van, tehát képes munkát végezni.

9. Új ismeretek feldolgozása • Ha a tekercs belsejében változik a mágneses mező, akkor a tekercs kivezetésére kapcsolt ampermérő áramot jelez. • Következtetés: a mágneses mező változásakor elektromos mező keletkezik. • A kivezetések között annál nagyobb a feszültség, minél gyorsabban változik a mágneses mező és minél nagyobb a menetszám.

10. Azt a jelenséget, amely során a mágneses mező változása elektromos mezőt hoz létre, elektromágneses indukciónak nevezzük. • Az így létrehozott elektromos mezőt jellemző feszültség az indukált feszültség, az így létre jövő áram az indukált áram. • Az indukált áram iránya mindig olyan, hogy mágneses hatásával akadályozza az indukciót létrehozó változást. (Ezt a törvényt Lenz ismerte fel 1834-ben, ezért tiszteletére Lenz-törvénynek nevezzük.)

11. A váltakozó áram • Elektromágneses indukció úgy is létrehozható, hogy egy tekercs előtt mágnesrudat forgatunk. Ilyenkor az áram erőssége folyamatosan, iránya időközönként változik. • Az olyan áramot, amelynek erőssége és iránya is váltakozik váltakozó áramnak nevezzük. • Magyarországon a hálózati áramkörben az áram iránya másodpercenként 100-szor változik, az ilyen hálózati áram 50 periódusú (50 Hertz).

12. A váltakozó áram termelése • Ha a mágnes két tekercs között forog, akkor mindkét tekercsben indukált áram keletkezik. A tekercseket megfelelően összekapcsolva a feszültségek összeadódnak. • Az indukált feszültséget növelhetjük, ha a mágnes helyett elektromágnest alkalmazunk. • A tekercsekben indukált váltakozó áramot távvezetéken juttatják el a fogyasztóhoz.

13. A váltakozó áram hatásai • Hőhatás: Az elektromos tulajdonságú részecskék „lökdösik” a vezető többi részecskéit, ez a mozgás mindig felmelegedést okoz (pl.: izzólámpák, elektromos fűtő berendezések). • Kémiai hatás: Az áramirány váltakozása miatt némileg eltér az egyenáram kémiai hatásától. • Élettani hatás: Hasonló, mint az egyenáramé, 42 voltnál nagyobb feszültség esetén életveszélyes is lehet (égés, szív-idegbénulás, légzési zavarok stb.). • Mágneses hatás: kísérletileg bizonyítható a ferromágneses anyagokra kifejtett hatása.

14. A transzformátor • Jelentősége: Korábbi ismereteink alapján tudjuk, hogy minden elektromos vezetőnek van elektromos ellenállása. • A megtermelt elektromos energia helye és a felhasználási hely között nagy távolságok vannak. A hosszú vezetők fajlagos ellenállásából adódó összes elektromos ellenállás a vezető hosszával egyenesen arányos. Ez az elektromos ellenállás nagy energiaveszteséget okozhat. • Magas feszültségnél ez a veszteség jelentősen csökkenthető, viszont a felhasználási helynél viszonylag alacsony feszültségre van szükség. Ez a probléma a transzformátor beiktatásával oldható meg.

15. A transzformátor • Felépítése: közös vasmag, a vasmagon két különálló tekercs. Amelyikbe a váltakozó áramot vezetjük, az a primer tekercs, a másik a szekunder tekercs. • Működése: az elektromágneses indukció elvén alapszik. • Feszültségszint: a szekunder tekercs feszültsége a primer tekercs feszültségétől és a két tekercs menetszámának arányától függ.

16. Déri-Bláthy-Zipernowsky transzformátora • A zárt vasmagú transzformátor és az elektromos távvezeték- rendszer korszerű megvalósítása Déri Miksa, Bláthy Ottó és Zipernowsky Károly magyar mérnökök nevéhez fűződik.

17. Az elektromos távvezeték rendszer • A váltakozó áramot generátorokkal állítják elő. Az elektromos áram az erőműtől a fogyasztóhoz távvezetéken jut el. Azokat a folyamatokat, amelyek során az elektromos áram eljut az erőműtől a fogyasztóig röviden energiaátvitelnek, vagy energia szállításnak nevezzük.

18. A távvezeték rendszer részei • Erőmű: ahol az elektromos energiát megtermelik. • Transzformátor állomás: az elektromos feszültséget feltranszformálják. • Távvezetékek • Transzformátor állomás: az elektromos feszültséget letranszformálják. • Fogyasztó: az elektromos energia felhasználásának helye.

19. Ellenőrzés • Mi a feltétele az elektromágneses indukciónak? • Mitől függ az indukált feszültség nagysága? • Hogyan függ az indukált feszültség a tekercs menetszámától? • Milyen az indukált áram iránya? • Milyen áramot nevezünk váltakozó áramnak? • Hogyan hozhatunk létre váltakozó áramot? • Milyen elven működik a transzformátor? • Milyen az összefüggés a transzformátor primer és szekunder feszültsége, illetve a menetszámok között?

20. Összefoglalás • Az elektromos tulajdonságú részecskék mozgás közben mágneses mezőt hoznak létre. • A változó mágneses mező elektromos mezőt hoz létre. Ez a folyamat az elektromágneses indukció. Jellemzői: Az indukált feszültség és az indukált áram. • Az indukált áram irányát Lenz-törvénye határozza meg. • A váltakozó áram létrehozása: a nyugvó tekercs előtt forgó mágnes a tekercsben váltakozó mágneses mezőt, így indukált áramot hoz létre. Hatásai: hő-, kémiai, élettani és mágneses hatás. • A transzformátor két közös vasmagon lévő különálló tekercs (primer és szekunder). • Gyakorlati alkalmazásai: az erőműnél a feszültséget feltranszformálják, hogy a távvezetéken kicsi legyen hőveszteség, majd a fogyasztók előtt a szükséges értékre letranszformálják.

21. Értékelés • Próbáld ki tudásod! • Feleletválasztásos kérdés 5db. Értéke 3 pont/db. Össz.15 pont. • Párosításos kérdés 4 db. Értéke 2 pont/db. Össz.8 pont. • Eldöntendő kérdés 4 db. Értéke 2 pont/db. Össz. 8 pont. • Megszerezhető összesen 31 pont.

22. Felelet-választásos feladat 1.Melyik állítás igaz? Ha a tekercs belsejében változik a mágneses mező: • A) az ampermérő feszültséget jelez. • B) az ampermérő áramot jelez. • C) nem történik semmi. 2. Melyik állítás igaz? • A) Minél gyorsabban változik a mágnese mező annál nagyobb az indukált áram. • B).Minél nagyobb a mágnese mező annál nagyobb az indukált áram • C) .Minél kisebb a mágnese mező annál nagyobb az indukált áram 3. Melyik állítás igaz? • A) Az indukált áramirány ellentétes az őt létrehozó áramirányával • B) Az indukált áramirány azonos az őt létrehozó mező áramának irányával • C) Az indukált áramirány ellentétes az őt létrehozó mező áramának irányával 4. Melyik állítás hami? Több válasz is lehetséges! • A) A váltakozó áram iránya időközönként, erőssége folyamatosan változik • B) A váltakozó áram iránya időközönként, erőssége nem változik • C) A váltakozó áram iránya folyamatosan, erőssége időközönként változik 5. Melyik állítás hamis? • A) A váltakozó áram nem hoz létre elektromágneses mezőt • B) A transzformátor működése az elektromágnese indukció elvén alapszik • C) A transzformátor vasmagból és két különálló tekercsből áll Megoldás: 1-B, 2-A, 3-C, 4-B és C, 5-A

23. 1. Transzformátor 2. Váltakozó áram 3. Lenz-törvénye 4. Indukált feszültség Párosításos teszt • A. Az indukált áram iránya olyan, hogy gyengíteni igyekszik az őt létrehozó hatást. • B. A váltakozó mágneses mező által keltett fizikai mennyiség neve. • C. Az elektromágneses indukció elvén működik. • D. Az olyan áram, amelynek iránya és erőssége is váltakozik. Megoldás: A-3, B-4, C-1, D-2

24. Eldöntendő kérdések Döntse el, igaz vagy hamis az állítás! 1. Lenz-törvénye az indukált áram irányáról szól. 2. A transzformátor közös vasmagból és közös tekercsből áll. 3. Magyarországon a hálózati áram 50 Hertz-es periódusú. 4. Az indukált áram erőssége a mágneses mező változásának gyorsaságától függ. Megoldás: 1-I, 2-H, 3-I, 4-I

25. Eredményességi mutató • 0-50%Tudásod nem éri el az értékelhető, megfelelő szintet. Ismételd át az anyagot! • 51-65%Tudásod nem elég alapos, a továbbhaladás nem javasolt! • 66-79%Közepes teljesítmény, ismételd a számodra nehezebb részeket! • 80-90%Tudásod megfelelő szintű, az eredményed jó, de pótold hiányosságaidat! • 91-100%Gratulálok! Kiváló a teljesítményed, csak így tovább!

26. Irodalom • Szövegek forrása: Fizika 8., Mozaik Kiadó - 2004. • Képek forrása: www.fizkapu.hu

27. Készítette: Bíró Szilárd Fizika szak Levelező tagozat II. évf. Köszönöm a figyelmet!