Страница 86 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Какое электрическое устройство называют трансформатором?

Какое электрическое устройство называют трансформатором?

Трансформатором называют статическое (не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство, которое предназначено для преобразования системы переменного тока (напряжения, тока) в другую систему переменного тока, как правило, с другими значениями напряжения и тока, но с той же частотой.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции и взаимной индукции. Простейший трансформатор состоит из двух (или более) индуктивно связанных обмоток (катушек из изолированного провода), которые намотаны на общий замкнутый сердечник (магнитопровод) из ферромагнитного материала.

• Первичная обмотка — это обмотка, к которой подводится электрическая энергия от источника переменного тока.
• Вторичная обмотка — это обмотка, от которой отводится преобразованная энергия к потребителю (нагрузке).

Когда по первичной обмотке протекает переменный ток, он создает в сердечнике переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки как первичной, так и вторичной обмоток, индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотки неподвижны, а магнитный поток изменяется во времени, это явление называется электромагнитной индукцией.

Для идеального трансформатора (без потерь энергии) отношение напряжений на вторичной ($U_2$) и первичной ($U_1$) обмотках равно отношению числа витков в этих обмотках ($N_2$ и $N_1$). Это отношение называется коэффициентом трансформации ($k$): $$ k = \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{E_2}{E_1} = \frac{N_2}{N_1} $$ где $E_1$ и $E_2$ – ЭДС в первичной и вторичной обмотках соответственно.

В зависимости от коэффициента трансформации различают:

• Понижающие трансформаторы: если $k < 1$ (число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной, $N_2 < N_1$). Они понижают напряжение, но повышают силу тока.
• Повышающие трансформаторы: если $k > 1$ (число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, $N_2 > N_1$). Они повышают напряжение, но понижают силу тока.

Трансформаторы являются ключевыми элементами в системах передачи и распределения электроэнергии, так как они позволяют эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении и низком токе (для минимизации потерь), а затем понижать напряжение до безопасных и удобных для использования значений у конечных потребителей.

Ответ: Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, состоящее из двух или более индуктивно связанных обмоток на общем магнитопроводе и предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты на основе явления электромагнитной индукции.

2. Какая обмотка трансформатора является первичной и какая – вторичной?

Разделение обмоток трансформатора на первичную и вторичную носит функциональный характер и определяется направлением передачи энергии. Трансформатор состоит как минимум из двух обмоток, которые индуктивно связаны друг с другом через общий магнитный сердечник.

• Первичная обмотка — это та обмотка, которая подключается к источнику переменного тока (например, к электрической сети). Она получает электрическую энергию, которая затем преобразуется. Можно сказать, что это входная обмотка трансформатора.

• Вторичная обмотка — это та обмотка, к которой подключается потребитель электрической энергии (нагрузка). С этой обмотки снимается преобразованное напряжение. Это выходная обмотка трансформатора.

Таким образом, название обмотки зависит исключительно от ее роли в конкретной схеме включения. Если поменять местами источник и нагрузку, то первичная обмотка станет вторичной, а вторичная — первичной.

Ответ: Первичной является обмотка, получающая энергию от источника переменного тока, а вторичной — обмотка, отдающая преобразованную энергию в нагрузку.

3. Дайте определение коэффициента трансформации. Какой трансформатор называют повышающим; понижающим?

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации — это безразмерная величина, характеризующая способность трансформатора изменять (трансформировать) напряжение переменного тока. Он определяется как отношение числа витков в первичной обмотке ($N_1$) к числу витков во вторичной обмотке ($N_2$). В режиме холостого хода (когда вторичная обмотка разомкнута) коэффициент трансформации $k$ также равен отношению ЭДС (электродвижущих сил) в обмотках, а для идеального трансформатора (без потерь) — отношению напряжений:

$k = \frac{N_1}{N_2} = \frac{{\mathcal{E}}_1}{{\mathcal{E}}_2} \approx \frac{U_1}{U_2}$

где $U_1$ и ${\mathcal{E}}_1$ — напряжение и ЭДС на первичной обмотке, а $U_2$ и ${\mathcal{E}}_2$ — напряжение и ЭДС на вторичной обмотке.

Ответ: Коэффициент трансформации — это отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной ($k = N_1/N_2$), которое приблизительно равно отношению напряжений на этих обмотках ($k \approx U_1/U_2$).

Повышающий трансформатор

Повышающим называют трансформатор, который увеличивает напряжение переменного тока, при этом уменьшая силу тока. У такого трансформатора напряжение на вторичной обмотке ($U_2$) больше, чем на первичной ($U_1$). Это достигается за счет того, что число витков во вторичной обмотке ($N_2$) больше, чем в первичной ($N_1$). Следовательно, для повышающего трансформатора коэффициент трансформации $k$ меньше единицы:

$U_2 > U_1 \implies N_2 > N_1 \implies k = \frac{N_1}{N_2} < 1$

Ответ: Повышающий трансформатор — это трансформатор, у которого напряжение на вторичной обмотке выше, чем на первичной ($U_2 > U_1$), и его коэффициент трансформации меньше единицы ($k < 1$).

Понижающий трансформатор

Понижающим называют трансформатор, который уменьшает напряжение переменного тока, при этом увеличивая силу тока. У такого трансформатора напряжение на вторичной обмотке ($U_2$) меньше, чем на первичной ($U_1$). Для этого число витков во вторичной обмотке ($N_2$) должно быть меньше, чем в первичной ($N_1$). Соответственно, для понижающего трансформатора коэффициент трансформации $k$ больше единицы:

$U_2 < U_1 \implies N_2 < N_1 \implies k = \frac{N_1}{N_2} > 1$

Ответ: Понижающий трансформатор — это трансформатор, у которого напряжение на вторичной обмотке ниже, чем на первичной ($U_2 < U_1$), и его коэффициент трансформации больше единицы ($k > 1$).

4. Приведите примеры использования электромагнитной индукции в современной технике.

Явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем, заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Это фундаментальное явление лежит в основе работы множества современных технических устройств.

Электрические генераторы и трансформаторы

Это наиболее масштабное и важное применение электромагнитной индукции, являющееся основой всей мировой системы производства и распределения электроэнергии. В генераторах на электростанциях (тепловых, гидравлических, атомных) механическая энергия вращения турбины используется для вращения ротора (содержащего катушки с проводом) в сильном магнитном поле статора (или наоборот). Постоянное изменение магнитного потока через витки катушек индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС), создавая переменный электрический ток. Трансформаторы используются для повышения или понижения напряжения этого тока. Переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который, в свою очередь, индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Это позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями при очень высоком напряжении, а затем понижать его до безопасных значений для бытового и промышленного использования.

Ответ: Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а трансформаторы изменяют напряжение переменного тока для его эффективной передачи и использования; оба устройства работают на основе электромагнитной индукции.

Индукционные варочные панели

В современной бытовой технике индукционные плиты являются ярким примером практического применения электромагнитной индукции для нагрева. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится медная катушка, по которой протекает переменный ток высокой частоты. Этот ток создает быстропеременное магнитное поле. Когда на конфорку ставится посуда с ферромагнитным дном (например, из чугуна или нержавеющей стали), переменное магнитное поле пронизывает дно посуды и индуцирует в нем мощные вихревые токи (токи Фуко). Эти токи, проходя через металл, обладающий сопротивлением, вызывают его интенсивный нагрев по закону Джоуля–Ленца. Преимущества такого способа — высокий КПД, скорость и безопасность, так как сама поверхность плиты почти не нагревается.

Ответ: Индукционные плиты используют переменное магнитное поле для наведения вихревых токов в дне металлической посуды, которые напрямую нагревают ее для приготовления пищи.

Беспроводная зарядка устройств

Технология беспроводной зарядки (например, стандарта Qi), которая используется в смартфонах, умных часах, электрических зубных щетках и других гаджетах, основана на индуктивной передаче энергии. Зарядное устройство (базовая станция) содержит передающую катушку, создающую переменное магнитное поле. В гаджете находится приемная катушка. Когда устройство помещается на зарядную станцию, переменное магнитное поле пронизывает приемную катушку, индуцируя в ней переменный электрический ток. Встроенная в гаджет электроника преобразует этот переменный ток в постоянный, который и заряжает аккумулятор.

Ответ: Беспроводная зарядка передает энергию от станции к устройству с помощью переменного магнитного поля, которое индуцирует ток в приемной катушке гаджета.

Металлодетекторы

Металлодетекторы, используемые в системах безопасности, в археологии и как хобби, работают благодаря электромагнитной индукции. Передающая катушка детектора создает переменное магнитное поле. Если в это поле попадает металлический объект, поле индуцирует в нем вихревые токи. Эти токи, в свою очередь, создают собственное, более слабое, вторичное магнитное поле. Приемная катушка в металлодетекторе настроена на обнаружение этого вторичного поля. При его фиксации электронная схема устройства генерирует звуковой или визуальный сигнал, оповещая о наличии металла.

Ответ: Металлодетекторы обнаруживают металлические предметы, индуцируя в них вихревые токи своим первичным магнитным полем и регистрируя вторичное магнитное поле, созданное этими токами.

5. Как производится запись и воспроизведение информации с помощью магнитной ленты?

Запись информации

Процесс записи информации на магнитную ленту основан на явлении электромагнетизма. Магнитная лента — это гибкая основа, покрытая слоем ферромагнитного материала (например, оксида железа $Fe_2O_3$ или диоксида хрома $CrO_2$), состоящего из микроскопических магнитных частиц (доменов). Изначально эти частицы ориентированы хаотично, и лента не имеет собственного магнитного поля.

Запись производится с помощью записывающей головки, представляющей собой электромагнит с сердечником и очень узким зазором. Информационный сигнал (звук, данные) преобразуется в переменный электрический ток, который подается на катушку головки. Этот ток создает в зазоре головки переменное магнитное поле.

Когда лента с постоянной скоростью проходит мимо зазора, это магнитное поле воздействует на ее ферромагнитный слой. Частицы в слое намагничиваются, выстраиваясь в соответствии с силой и направлением поля в данный момент. В результате на ленте формируется последовательность намагниченных участков (магнитная фонограмма), которая является точной копией временных изменений исходного сигнала. Благодаря свойству остаточной намагниченности, эта "запись" сохраняется на ленте.

Ответ: Запись на магнитную ленту происходит путем преобразования информационного сигнала в переменный электрический ток, который, проходя через катушку записывающей головки, создает переменное магнитное поле. Это поле намагничивает участки движущейся ленты, создавая на ней последовательность намагниченных зон, соответствующую исходной информации.

Воспроизведение информации

Процесс воспроизведения основан на явлении электромагнитной индукции. Для этого используется воспроизводящая головка, которая по конструкции очень похожа на записывающую (часто это одна и та же универсальная головка).

Записанная лента протягивается с той же скоростью мимо зазора воспроизводящей головки. Намагниченные участки ленты, проходя мимо, создают в сердечнике головки переменный магнитный поток.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока ($\Phi_B$) в сердечнике индуцирует в катушке головки электродвижущую силу (ЭДС), то есть электрический сигнал. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $E = -N \frac{d\Phi_B}{dt}$, где $N$ — число витков в катушке.

Форма этого индуцированного электрического сигнала точно повторяет изменения намагниченности на ленте. Полученный слабый сигнал затем усиливается и преобразуется обратно в исходную информацию — звук, изображение или данные.

Ответ: Воспроизведение с магнитной ленты происходит, когда намагниченные участки движущейся ленты создают переменный магнитный поток в сердечнике воспроизводящей головки. Это, в свою очередь, индуцирует в катушке головки переменный электрический ток (сигнал), который после усиления преобразуется в исходную информацию (звук, изображение).