Ответьте на вопросы, страница 209 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

2. Почему в маломощных генераторах в статоре, представляющем собой электромагнит, создают магнитное поле, а на концах обмотки ротора получают разность потенциалов?

3. Почему в генераторах постоянного тока используют полукольца, а в генераторах переменного тока – кольца?

4. Почему обмотки ротора и статора представляют собой множество соединенных между собой рамок?

5. Каким способом уменьшают частоту вращения ротора, не меняя частоту промышленного тока?

6. Какой закон лежит в основе действия генератора индукционного тока?

1. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Магнитный поток $Φ$ — это физическая величина, характеризующая количество линий магнитной индукции, проходящих через некоторую поверхность. Он рассчитывается по формуле $Φ = B \cdot S \cdot \cos(α)$, где $B$ – модуль вектора магнитной индукции, $S$ – площадь контура, а $α$ – угол между вектором $B$ и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура. Изменение магнитного потока может быть вызвано изменением величины магнитного поля, изменением площади контура или изменением его ориентации в магнитном поле (т.е. изменением угла $α$). Возникающая при этом электродвижущая сила (ЭДС) индукции, согласно закону Фарадея, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ε_i = - \frac{ΔΦ}{Δt}$. Знак "минус" в формуле отражает правило Ленца, согласно которому индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Ответ: Явление электромагнитной индукции — это возникновение ЭДС и индукционного тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.

2. В маломощных генераторах используется конструкция с неподвижным магнитом (или электромагнитом в статоре) и вращающейся обмоткой (ротором), поскольку она конструктивно проще и дешевле в производстве. При такой схеме генерируемый ток необходимо снимать с вращающегося ротора с помощью скользящих контактов — щеток и контактных колец. В маломощных генераторах вырабатываются относительно небольшие токи и напряжения. Для таких токов система щеток и колец является достаточно надежной, не вызывает значительных потерь энергии, сильного износа или искрения. В мощных же генераторах токи достигают огромных значений, и снимать их с вращающейся части было бы крайне неэффективно и технически сложно. Поэтому в мощных генераторах, наоборот, обмотка, в которой наводится ЭДС, неподвижна (в статоре), а электромагнит вращается (ротор), и на него через щетки подается лишь небольшой ток возбуждения.

Ответ: Такая конструкция проще и дешевле, а проблемы, связанные со съемом тока с вращающегося ротора (потери, износ щеток), при малых мощностях и токах являются незначительными.

3. В генераторе переменного тока в обмотке ротора индуцируется ЭДС, меняющая свое направление и величину по синусоидальному закону. Чтобы передать этот переменный ток во внешнюю цепь, необходимо обеспечить непрерывный контакт с концами вращающейся обмотки. Для этого используют два сплошных контактных кольца, к каждому из которых припаян один конец обмотки. Неподвижные щетки скользят по этим кольцам, снимая переменный ток.
В генераторе постоянного тока задача иная — нужно "выпрямить" переменный ток, возникающий в обмотке. Для этого используется коллектор, представляющий собой кольцо, разрезанное на две изолированные друг от друга половины (полукольца). Каждый конец обмотки присоединен к своему полукольцу. Щетки расположены так, что в момент, когда ЭДС в обмотке меняет знак (каждые пол-оборота), щетки переходят с одного полукольца на другое. В результате во внешней цепи ток, хоть и пульсирующий, течет всегда в одном направлении. Таким образом, коллектор с полукольцами выполняет роль механического выпрямителя.

Ответ: Кольца в генераторе переменного тока обеспечивают непрерывное снятие переменного по направлению тока, а полукольца (коллектор) в генераторе постоянного тока служат механическим переключателем, который меняет подключение к обмотке каждые пол-оборота, "выпрямляя" ток для внешней цепи.

4. Обмотки ротора и статора состоят из множества соединенных между собой витков (рамок) для увеличения генерируемой ЭДС или для создания более сильного магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции, полная ЭДС, наводимая в катушке, состоящей из $N$ витков, равна сумме ЭДС, наводимых в каждом витке. Таким образом, ЭДС в катушке из $N$ витков в $N$ раз больше, чем в одном витке: $ε_{полн} = N \cdot ε_1$. Это позволяет получать на выходе генератора высокое напряжение, необходимое для практического использования. В случае обмотки электромагнита, создающего поле, большее число витков позволяет получить более сильное магнитное поле при том же токе, так как магнитная индукция пропорциональна числу витков. Кроме того, расположение нескольких катушек (рамок) под разными углами на роторе или статоре позволяет сгладить пульсации выпрямленного тока (в DC генераторах) или получить многофазный ток (в AC генераторах).

Ответ: Использование множества соединенных рамок (витков) позволяет суммировать ЭДС, наводимые в каждой из них, и таким образом получать на выходе генератора значительно большее напряжение.

5. Частота переменного тока $f$, вырабатываемого генератором, связана с частотой вращения ротора $n$ (в оборотах в минуту) и числом пар магнитных полюсов $p$ в генераторе соотношением: $f = \frac{p \cdot n}{60}$. Стандартная частота промышленного тока является фиксированной величиной (например, 50 Гц в России и Европе). Из формулы видно, что для сохранения постоянной частоты тока $f$ при уменьшении частоты вращения ротора $n$, необходимо увеличить число пар полюсов $p$. Например, для получения тока частотой 50 Гц двухполюсный генератор ($p=1$) должен вращаться со скоростью 3000 об/мин, а чтобы снизить скорость до 1500 об/мин, нужно использовать четырехполюсный генератор ($p=2$). Гидрогенераторы на ГЭС, приводимые в движение медленно вращающимися турбинами, имеют большое количество пар полюсов для поддержания стандартной частоты.

Ответ: Чтобы уменьшить частоту вращения ротора, не меняя частоту промышленного тока, необходимо увеличить число пар магнитных полюсов в конструкции генератора.

6. В основе действия любого генератора индукционного тока лежит фундаментальный физический закон — закон электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем. Этот закон гласит, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая и является причиной появления индукционного тока. В генераторе механическая энергия, вращающая ротор, приводит к непрерывному изменению магнитного потока через витки обмотки, что, в свою очередь, непрерывно генерирует ЭДС и ток.

Ответ: В основе действия генератора индукционного тока лежит закон электромагнитной индукции.