Номер 1, страница 212 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

1. Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1) «Из истории создания генераторов тока».

2) «Виды трансформаторов и их назначение».

1) «Из истории создания генераторов тока»

История создания генераторов электрического тока — это история фундаментальных открытий в области физики и блестящих инженерных решений, которые легли в основу современной электроэнергетики. Путь к созданию этих устройств начался с изучения взаимосвязи между электричеством и магнетизмом.

Ключевым моментом стало открытие, сделанное в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Он обнаружил явление электромагнитной индукции: в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток, если изменяется пронизывающий его магнитный поток. На основе этого принципа Фарадей создал первую в мире модель электрогенератора, известную как «диск Фарадея». Устройство представляло собой медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита, и генерировало постоянный, хотя и очень слабый, ток. Это был первый в истории случай получения электричества из механической энергии.

Первый практически применимый генератор, названный динамо-машиной, был сконструирован в 1832 году Ипполитом Пикси в Париже. В его устройстве вращался уже не диск, а постоянный магнит, а катушки с проводом были неподвижны. Этот генератор вырабатывал переменный ток. Позже Пикси добавил к нему коммутатор — устройство, преобразующее переменный ток в пульсирующий постоянный, что сделало его более пригодным для некоторых практических задач того времени, например, для гальванопластики.

Значительный прорыв произошел в 1866 году, когда Вернер фон Сименс (а также независимо от него Чарльз Уитстон) предложил использовать принцип самовозбуждения. Вместо дорогих и не очень мощных постоянных магнитов он применил электромагниты, обмотки которых питались током, вырабатываемым самим генератором. Это позволило кардинально увеличить мощность и КПД динамо-машин, открыв дорогу их широкому промышленному применению для питания дуговых ламп, электродвигателей и других устройств.

Конец XIX века ознаменовался «войной токов» между сторонниками постоянного тока, возглавляемыми Томасом Эдисоном, и переменного тока, чьи преимущества отстаивал Никола Тесла. Генераторы постоянного тока (динамо-машины) были удобны для локальных сетей, но передавать DC на большие расстояния было неэффективно из-за больших потерь. Никола Тесла разработал и усовершенствовал систему переменного тока, включая многофазные генераторы (альтернаторы) и, что крайне важно, трансформаторы. Возможность с помощью трансформаторов легко повышать напряжение для передачи и понижать его для потребления сделала систему переменного тока гораздо более экономичной и универсальной. В итоге именно генераторы переменного тока стали основой современных энергетических систем во всем мире.

Ответ: История создания генераторов тока начинается с открытия электромагнитной индукции Майклом Фарадеем в 1831 году и его первого прототипа — диска Фарадея. Практическое развитие продолжилось с динамо-машиной Ипполита Пикси (1832), а ключевым усовершенствованием стало применение принципа самовозбуждения Вернером фон Сименсом в 1866 году. Окончательную победу одержали генераторы переменного тока, разработанные Николой Теслой, благодаря их эффективности при передаче энергии на большие расстояния с помощью трансформаторов.

2) «Виды трансформаторов и их назначение»

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из двух (или более) обмоток, намотанных на общий магнитопровод (сердечник). Обмотка, подключенная к источнику энергии, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка — вторичной. Отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках примерно равно отношению числа витков в этих обмотках: $ \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{N_2}{N_1} $.

Трансформаторы классифицируются по множеству признаков. Основные из них:

По назначению:

• Силовые трансформаторы. Самый распространенный вид. Используются в сетях передачи и распределения электроэнергии. Их задача — повышать напряжение на электростанциях для минимизации потерь при передаче и понижать его на подстанциях до уровней, безопасных для потребителей.

• Измерительные трансформаторы. Применяются для безопасного измерения очень больших токов и напряжений в высоковольтных цепях. Они понижают ток или напряжение до стандартных значений, позволяя использовать обычные измерительные приборы. Делятся на трансформаторы тока (включаются в цепь последовательно) и трансформаторы напряжения (включаются параллельно).

• Автотрансформаторы. Имеют одну обмотку с несколькими выводами. Часть витков является общей для первичной и вторичной цепи. Они компактнее и дешевле обычных, но не обеспечивают гальванической развязки (электрической изоляции) между цепями. Используются для плавного регулирования напряжения или для соединения сетей с близкими номинальными напряжениями.

• Сварочные трансформаторы. Предназначены для питания сварочной дуги. Они преобразуют сетевое напряжение в низкое (десятки вольт), но обеспечивают очень большой ток (сотни ампер).

По типу преобразования напряжения:

• Понижающие. Число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной ($N_2 < N_1$), соответственно, напряжение на выходе ниже, чем на входе. Используются повсеместно, от районных подстанций до блоков питания бытовой техники.

• Повышающие. Число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной ($N_2 > N_1$), напряжение на выходе выше, чем на входе. Основное применение — на электростанциях для повышения напряжения перед передачей в ЛЭП.

По числу фаз:

• Однофазные. Работают в однофазных цепях переменного тока. Применяются в бытовых сетях и маломощных установках.

• Трехфазные. Наиболее распространены в промышленности и энергетике, так как трехфазные системы являются стандартом для генерации и передачи электроэнергии.

По конструкции магнитопровода:

• Стержневые. Обмотки охватывают стержни магнитопровода. Просты в изготовлении и ремонте.

• Броневые. Магнитопровод охватывает обмотки, как бы «бронируя» их. Имеют меньшие габариты и лучшее магнитное экранирование.

• Тороидальные. Магнитопровод имеет форму тора (кольца). Отличаются высоким КПД, малыми полями рассеяния, компактностью, но более сложны в производстве. Часто применяются в высококачественной аудиотехнике и медицинском оборудовании.

Ответ: Трансформаторы — это устройства для изменения напряжения переменного тока на основе электромагнитной индукции. Они классифицируются по назначению (силовые, измерительные, сварочные, автотрансформаторы), по типу преобразования (повышающие и понижающие), по числу фаз (одно- и трехфазные) и по конструкции (стержневые, броневые, тороидальные). Их основное назначение — обеспечение эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния и ее безопасное распределение и использование в самых разных устройствах.