Номер 5, страница 377 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. В чём сущность обратимости электрических машин постоянного тока? Как это согласуется с законом сохранения энергии?

5. Сущность принципа обратимости электрических машин постоянного тока заключается в их фундаментальной способности работать как в режиме электродвигателя, так и в режиме генератора. Конструкция машины для обоих режимов принципиально одинакова. Режим работы определяется направлением преобразования энергии.

1. Режим электродвигателя: Машина потребляет электрическую энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию вращения вала. При подаче напряжения на обмотку якоря, находящуюся в магнитном поле, на проводники действует сила Ампера, которая создает вращающий момент. Этот момент заставляет якорь вращаться.

2. Режим генератора: Машина приводится во вращение внешним механическим двигателем (например, турбиной) и преобразует механическую энергию в электрическую. При вращении якоря его проводники пересекают магнитное поле, в результате чего в них, согласно закону электромагнитной индукции, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Если к выводам машины подключить нагрузку, по цепи потечет электрический ток.

Важно, что оба ключевых физических явления — возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле (принцип двигателя), и наведение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле (принцип генератора), — происходят одновременно в любой работающей машине постоянного тока. В режиме двигателя наводимая ЭДС называется противо-ЭДС, она направлена навстречу приложенному напряжению и ограничивает ток. В режиме генератора протекающий ток создает противодействующий (тормозной) электромагнитный момент, который должен преодолевать первичный двигатель.

Принцип обратимости полностью согласуется с законом сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а лишь преобразуется из одной формы в другую. Электрическая машина выступает в роли преобразователя энергии, и для обоих режимов выполняется баланс мощностей.

Для режима двигателя уравнение энергетического баланса выглядит так: подводимая к якорю электрическая мощность $U \cdot I_я$ расходуется на преобразование в электромагнитную мощность $E \cdot I_я$, которая затем превращается в механическую мощность на валу, и на тепловые потери в обмотке якоря $I_я^2 R_я$.
$U \cdot I_я = E \cdot I_я + I_я^2 R_я$
Таким образом, подводимая электрическая энергия равна сумме полезной механической работы и всех потерь (электрических, магнитных, механических), которые в основном выделяются в виде тепла.

Для режима генератора баланс мощностей иной: индуцируемая электромагнитная мощность $E \cdot I_я$ , полученная из подводимой механической, расходуется на отдаваемую в нагрузку электрическую мощность $U \cdot I_я$ и на тепловые потери в обмотке якоря $I_я^2 R_я$.
$E \cdot I_я = U \cdot I_я + I_я^2 R_я$
В этом случае подводимая механическая энергия равна сумме полезной электрической энергии и всех потерь.

В обоих случаях закон сохранения энергии строго выполняется: машина лишь преобразует энергию, а суммарное количество энергии в замкнутой системе остается постоянным.

Ответ: Сущность обратимости машины постоянного тока состоит в ее способности работать и как двигатель (преобразуя электрическую энергию в механическую), и как генератор (преобразуя механическую энергию в электрическую) без изменения конструкции. Это полностью согласуется с законом сохранения энергии, поскольку в любом режиме работы подводимая энергия всегда равна сумме полезной выходной энергии и всех энергетических потерь, что подтверждается уравнениями баланса мощностей для обоих режимов.