Задание(практическое исследование), страница 26 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

С помощью модели школьного генератора исследуйте принцип работы генератора переменного тока.

Принцип работы генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, который пронизывает этот контур. Исследуем этот процесс на примере школьной модели генератора.

Устройство школьной модели генератора переменного тока
Школьная модель генератора обычно состоит из следующих основных частей:
1. Статор – неподвижная часть, создающая постоянное магнитное поле. Чаще всего это подковообразный постоянный магнит.
2. Ротор (якорь) – вращающаяся часть, представляющая собой катушку из проволоки, намотанную на сердечник.
3. Контактные кольца (кольца скольжения) – два изолированных друг от друга металлических кольца, закрепленных на оси ротора. Каждый конец обмотки ротора соединен со своим кольцом.
4. Щетки – неподвижные проводники (часто графитовые), которые прижимаются к контактным кольцам и обеспечивают электрическое соединение вращающейся катушки с внешней цепью (например, с гальванометром или лампочкой).

Процесс генерации переменного тока
1. При вращении ручки генератора катушка (ротор) начинает вращаться в магнитном поле, созданном магнитом (статором).
2. Во время вращения катушки изменяется угол между плоскостью витков катушки и линиями магнитной индукции. Это приводит к непрерывному изменению магнитного потока $ \Phi_B $, пронизывающего катушку.
3. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока вызывает возникновение в катушке электродвижущей силы (ЭДС) индукции. Величина этой ЭДС для одного витка определяется формулой:
$ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $
где $ \mathcal{E} $ – индуцированная ЭДС, а $ \frac{d\Phi_B}{dt} $ – скорость изменения магнитного потока. Для катушки с $ N $ витками ЭДС будет в $ N $ раз больше.
4. Рассмотрим, как меняется ЭДС в течение одного оборота катушки:
• Когда плоскость катушки перпендикулярна линиям магнитного поля, магнитный поток через нее максимален. Однако в этот момент стороны рамки движутся параллельно линиям поля, и скорость изменения потока равна нулю. Следовательно, индуцированная ЭДС равна нулю.
• Когда плоскость катушки параллельна линиям магнитного поля, магнитный поток через нее равен нулю. Но в этот момент стороны рамки движутся перпендикулярно линиям поля, пересекая их с максимальной скоростью. Скорость изменения потока максимальна, и индуцированная ЭДС достигает своего максимального (амплитудного) значения.
• При дальнейшем вращении ЭДС снова уменьшается до нуля (когда плоскость катушки опять становится перпендикулярна полю), а затем меняет свое направление (полярность). ЭДС снова возрастает до максимального значения, но уже с противоположным знаком, после чего цикл повторяется.
5. Таким образом, за один полный оборот катушки ЭДС индукции дважды достигает максимального значения и дважды меняет свое направление на противоположное. Зависимость индуцированной ЭДС от времени имеет синусоидальный характер:
$ \mathcal{E}(t) = \mathcal{E}_{max} \sin(\omega t) $
где $ \mathcal{E}_{max} $ – амплитудное (максимальное) значение ЭДС, $ \omega $ – угловая скорость вращения катушки, $ t $ – время.
6. Контактные кольца и щетки передают эту синусоидально изменяющуюся ЭДС во внешнюю цепь. Если цепь замкнута, в ней потечет переменный электрический ток, который также будет изменяться по синусоидальному закону, периодически меняя свое направление и величину.

Ответ: Принцип работы генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции. При вращении проводящей рамки (катушки) в постоянном магнитном поле в ней, вследствие изменения пронизывающего её магнитного потока, возникает ЭДС индукции. Эта ЭДС периодически изменяется по величине и направлению по синусоидальному закону. В результате механическая энергия, затрачиваемая на вращение катушки, преобразуется в электрическую энергию переменного тока.