Номер 3, страница 377 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. От чего зависит напряжение на выходе генератора постоянного тока?

3. Решение

Напряжение на выходе генератора постоянного тока (на его зажимах) зависит от нескольких ключевых факторов. Основной величиной, генерируемой в обмотке якоря при его вращении в магнитном поле, является электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС, $\text{E}$, определяется по формуле:
$E = C_E \cdot n \cdot \Phi$
где:
* $C_E$ — конструктивная постоянная генератора, зависящая от числа витков обмотки якоря, числа полюсов и других конструктивных особенностей машины.
* $\text{n}$ — частота вращения якоря (скорость вращения), обычно измеряемая в оборотах в минуту (об/мин).
* $\Phi$ — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения. Этот поток, в свою очередь, зависит от тока возбуждения $I_в$.

Однако напряжение на выходе (на зажимах) генератора, $\text{U}$, не равно ЭДС. При работе генератора на нагрузку через обмотку якоря протекает ток нагрузки $I_a$. Эта обмотка имеет некоторое активное сопротивление $R_a$. Прохождение тока через это сопротивление вызывает падение напряжения внутри генератора, равное $I_a \cdot R_a$. Таким образом, выходное напряжение определяется как:
$U = E - I_a \cdot R_a$

Кроме того, на напряжение влияет так называемая реакция якоря. Магнитное поле, создаваемое током якоря, взаимодействует с основным магнитным полем и, как правило, ослабляет и искажает его. Это приводит к дополнительному уменьшению ЭДС и, следовательно, выходного напряжения, особенно при больших нагрузках.

Таким образом, можно выделить следующие основные зависимости:
1. Частота вращения якоря ($\text{n}$): Напряжение прямо пропорционально скорости вращения. Увеличивая скорость, мы увеличиваем напряжение.
2. Ток возбуждения ($I_в$): Увеличивая ток в обмотке возбуждения, мы увеличиваем магнитный поток $\Phi$, что приводит к росту ЭДС и выходного напряжения. Это основной способ регулирования напряжения генератора.
3. Ток нагрузки ($I_a$): С увеличением тока нагрузки растет падение напряжения на сопротивлении обмотки якоря ($I_a \cdot R_a$) и усиливается эффект реакции якоря. Оба фактора приводят к снижению напряжения на выходе генератора.

Ответ: Напряжение на выходе генератора постоянного тока зависит от частоты вращения якоря, величины магнитного потока (который регулируется током возбуждения) и тока нагрузки (из-за внутреннего падения напряжения и реакции якоря).

4. Решение

Машина постоянного тока обладает свойством обратимости. Это означает, что одна и та же машина без каких-либо конструктивных изменений может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Способ её использования зависит от того, какая энергия подводится к машине и какая отводится.

1. Режим генератора.
Машина работает как генератор, если к её валу приложить внешний вращающий момент (т.е. вращать якорь с помощью первичного двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания или турбины). При вращении якоря в магнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения, в проводниках обмотки якоря по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Если к зажимам машины подключить нагрузку, по цепи потечет электрический ток. В этом режиме происходит преобразование механической энергии в электрическую.

2. Режим двигателя.
Машина работает как двигатель, если к её зажимам подвести напряжение от внешнего источника постоянного тока. Под действием этого напряжения в обмотке якоря, находящейся в магнитном поле, потечет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем создаст электромагнитные силы (сила Ампера), которые формируют вращающий момент. Этот момент заставляет якорь вращаться. В этом режиме происходит преобразование электрической энергии в механическую (вращение вала). При этом вращающийся в магнитном поле якорь также будет индуцировать ЭДС (называемую противо-ЭДС), направленную против приложенного напряжения.

Переход между режимами определяется соотношением между ЭДС машины $\text{E}$ и напряжением сети $\text{U}$, к которой она подключена. Если $E > U$ (например, за счет увеличения скорости вращения от внешнего источника), машина отдает ток в сеть и работает как генератор. Если $U > E$, машина потребляет ток из сети и работает как двигатель.

Ответ: Машина постоянного тока может быть использована и как генератор (преобразуя механическую энергию в электрическую), и как электродвигатель (преобразуя электрическую энергию в механическую). Этот принцип называется обратимостью электрических машин.