Номер 4, страница 377 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Каким образом машина постоянного тока может быть использована в качестве электродвигателя?

4. Каким образом машина постоянного тока может быть использована в качестве электродвигателя?

Машина постоянного тока может быть использована в качестве электродвигателя благодаря явлению, известному как сила Лоренца. Принцип ее работы заключается в преобразовании электрической энергии в механическую.

Чтобы машина постоянного тока работала как двигатель, необходимо выполнить следующие шаги:

1. Создание магнитного поля: Статор (неподвижная часть) машины создает постоянное магнитное поле. Это поле может создаваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитами (обмоткой возбуждения), по которым пропускается ток.

2. Подача тока на якорь: На обмотки ротора (вращающейся части), который также называют якорем, через щеточно-коллекторный узел подается постоянный ток от внешнего источника питания.

3. Возникновение вращающего момента: Проводники обмотки якоря, по которым течет ток, оказываются в магнитном поле статора. Согласно закону Ампера (являющемуся следствием силы Лоренца), на каждый такой проводник начинает действовать сила. Эта сила определяется формулой $F = I \cdot L \cdot B \cdot \sin(\alpha)$, где $\text{I}$ – сила тока в проводнике, $\text{L}$ – длина проводника, $\text{B}$ – индукция магнитного поля, а $\alpha$ – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Так как проводники на противоположных сторонах якоря имеют противоположные направления тока, возникающие силы создают вращающий момент, который заставляет ротор вращаться.

4. Роль коллектора: Для обеспечения непрерывного вращения в одном направлении используется коллектор. Коллектор – это специальное механическое переключающее устройство, состоящее из изолированных друг от друга медных пластин. При вращении ротора щетки, через которые подается ток, поочередно соприкасаются с разными пластинами коллектора. Это приводит к переключению направления тока в секциях обмотки якоря таким образом, чтобы направление вращающего момента оставалось неизменным. Без коллектора ротор совершил бы только полоборота и остановился.

Таким образом, любая машина постоянного тока, спроектированная как генератор, может работать в режиме двигателя, если к ее выводам подключить источник постоянного напряжения. Вместо того чтобы снимать с нее электрическую энергию, мы подводим ее, заставляя вал машины вращаться.

Ответ: Машина постоянного тока используется в качестве электродвигателя путем подачи постоянного тока на обмотки ее якоря, находящегося в магнитном поле. Взаимодействие тока в обмотках с магнитным полем создает вращающий момент, который приводит ротор (якорь) в движение. Коллекторный узел обеспечивает непрерывность вращения, изменяя направление тока в обмотках якоря.

5. В чём сущность обратимости электрической машины?

Сущность принципа обратимости электрической машины заключается в ее способности работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Это означает, что одна и та же машина может преобразовывать электрическую энергию в механическую (двигатель) и, наоборот, механическую энергию в электрическую (генератор).

Эта двойственность основана на двух фундаментальных и взаимосвязанных явлениях электромагнетизма:

1. Явление электромагнитной силы (принцип работы двигателя): Если по проводнику, помещенному в магнитное поле, пропустить электрический ток, на этот проводник будет действовать сила (сила Ампера/Лоренца), вызывающая его движение. На этом принципе основана работа электродвигателя, где подводимая электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения.

2. Явление электромагнитной индукции (принцип работы генератора): Если проводник перемещать в магнитном поле так, чтобы он пересекал магнитные силовые линии, то в этом проводнике возникает (индуцируется) электродвижущая сила (ЭДС). Если цепь замкнута, эта ЭДС создает электрический ток. На этом принципе основана работа генератора, где приложенная извне механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию.

В любой работающей электрической машине оба этих явления происходят одновременно:

– Когда машина работает как двигатель, мы подаем на нее ток, который создает вращающий момент. Однако, вращаясь в магнитном поле, обмотки ротора пересекают магнитные силовые линии, и в них, согласно закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС. Эта ЭДС направлена против приложенного напряжения и называется противо-ЭДС. Она ограничивает ток, потребляемый двигателем, и является ключевым фактором в процессе преобразования энергии.

– Когда машина работает как генератор, мы приводим ее ротор во вращение с помощью внешнего механического источника (например, турбины). В обмотках ротора индуцируется ЭДС. Если к выводам машины подключить нагрузку, по цепи потечет ток. Этот ток, протекая по проводникам в магнитном поле, создаст тормозной электромагнитный момент, направленный против вращения. Для поддержания вращения необходимо постоянно прикладывать механический момент, преодолевая этот тормозной момент. Таким образом, механическая работа преобразуется в электрическую энергию.

Таким образом, сущность обратимости в том, что физические процессы, лежащие в основе работы двигателя и генератора, неразрывно связаны и происходят в одной и той же конструкции. Режим работы (двигательный или генераторный) определяется только направлением потока энергии: подводится ли к машине электрическая энергия для получения механической, или подводится механическая для получения электрической.

Ответ: Сущность обратимости электрической машины заключается в ее способности, без каких-либо конструктивных изменений, выполнять как функцию двигателя (преобразование электрической энергии в механическую), так и функцию генератора (преобразование механической энергии в электрическую). Это возможно благодаря тому, что явления электромагнитной индукции и действия электромагнитной силы, лежащие в основе работы генераторов и двигателей, проявляются одновременно в одной и той же машине.