Номер 3.80, страница 65 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция - номер 3.80, страница 65.

Условие.

3.80*. На рисунке 3.33 показана схема устройства генератора постоянного тока.

а) Объясните назначение основных элементов и принцип действия генератора.

б) На какой щётке будет положительный полюс?

Рис. 3.33

Решение.

а)

Назначение основных элементов:
1. Магнит (в данном случае постоянный) создает постоянное магнитное поле, в котором вращается рамка. Линии магнитной индукции направлены от северного полюса (N) к южному (S).
2. Рамка (якорь) представляет собой обмотку из проводящего провода, которая вращается в магнитном поле. Вращение обеспечивается внешней механической силой.
3. Коллектор (полукольца) – это устройство, к которому присоединены концы рамки. Он вращается вместе с рамкой и служит для преобразования переменного тока, индуцируемого в рамке, в постоянный (пульсирующий) ток во внешней цепи. Каждые пол-оборота коллектор меняет щетки, к которым подключены концы рамки.
4. Щётки (А и В) – это неподвижные проводящие контакты, которые скользят по коллектору и обеспечивают электрическое соединение вращающейся рамки с внешней электрической цепью (в данном случае с вольтметром и лампочкой).

Принцип действия:
Работа генератора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда рамка вращается в магнитном поле, создаваемом магнитом, магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий площадь рамки, изменяется. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в рамке возникает электродвижущая сила (ЭДС индукции), равная скорости изменения магнитного потока: $ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $. Эта ЭДС создает электрический ток в замкнутой цепи.
Поскольку направление движения противоположных сторон рамки относительно магнитных полюсов постоянно меняется (вверх/вниз), направление индуцируемого тока в рамке меняется каждые пол-оборота. Таким образом, в самой рамке возникает переменный ток.
Однако, благодаря коллектору, состоящему из двух полуколец, происходит выпрямление тока. В тот момент, когда ток в рамке меняет направление, полукольца коллектора переходят от одной щетки к другой. В результате к щетке А всегда подключается та сторона рамки, в которой ток течет в одном направлении (например, от нас), а к щетке В – та, в которой ток течет в противоположном направлении (на нас). Это обеспечивает протекание тока во внешней цепи в одном и том же направлении, то есть генератор вырабатывает постоянный (пульсирующий) ток. Таким образом, происходит преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию.

Ответ: Генератор работает на основе явления электромагнитной индукции. Магнит создает магнитное поле, вращающаяся в нем рамка генерирует ЭДС. Коллектор со щётками выпрямляет переменный ток, возникающий в рамке, и подает постоянный (пульсирующий) ток во внешнюю цепь.

б)

Чтобы определить, на какой щётке будет положительный полюс, воспользуемся правилом правой руки для определения направления индукционного тока.
1. Магнитное поле направлено от северного полюса N к южному S, то есть слева направо.
2. Рамка вращается против часовой стрелки (указано стрелкой у коллектора). Следовательно, в показанный на рисунке момент времени сторона рамки, находящаяся у северного полюса (N), движется вверх, а сторона у южного полюса (S) – вниз.
3. Применим правило правой руки к той стороне рамки, что движется вверх (у полюса N). Расположим правую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец был направлен по направлению движения проводника (вверх). Тогда четыре вытянутых пальца укажут направление тока – "на нас", из плоскости рисунка. Этот ток потечет к щётке А.
4. Во внешней цепи электрический ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Поскольку ток выходит из генератора через щётку А и течет во внешнюю цепь, щётка А является положительным полюсом (+). Ток возвращается в генератор через щётку В, которая, соответственно, является отрицательным полюсом (–).

Ответ: Положительный полюс будет на щётке А.