Экспериментальное задание, страница 31 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Экспериментальное задание

На основе двигателя игрушечной машины создайте индукционный генератор для светодиодной лампы.

Для создания индукционного генератора на основе двигателя от игрушечной машины необходимо следовать инструкции, основанной на принципе обратимости электрических машин.

Необходимые материалы:

• Двигатель постоянного тока (DC-мотор), извлеченный из старой игрушечной машины, плеера или небольшого вентилятора.
• Один светодиод (LED) любого цвета. Рекомендуется использовать красный или зеленый, так как они требуют меньшего напряжения для свечения.
• Соединительные провода (необязательно, но могут упростить подключение).

Теоретическое обоснование:

Любой коллекторный двигатель постоянного тока может работать в обратном режиме — как генератор. Когда мы подаем на двигатель напряжение, он преобразует электрическую энергию в механическую (вращение вала). Если же принудительно вращать вал двигателя (прикладывать механическую энергию), то благодаря явлению электромагнитной индукции в его обмотках будет генерироваться электрический ток.
Внутри двигателя находятся постоянные магниты (статор) и катушка с проводом на вращающемся якоре (ротор). При вращении якоря в магнитном поле изменяется магнитный поток, пронизывающий витки катушки. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это изменение потока создает электродвижущую силу (ЭДС) на клеммах двигателя. Величина этой ЭДС (напряжения) прямо пропорциональна скорости вращения вала: $ \mathcal{E} \sim \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $. Этого напряжения может быть достаточно для питания небольшой нагрузки, такой как светодиод.

Решение (порядок выполнения):

1. Подготовка компонентов. Определите выводы светодиода. Обычно у нового светодиода длинный вывод — это анод (+), а короткий — катод (–). У двигателя есть две клеммы, к которым ранее подключалось питание.

2. Сборка схемы. Подключите светодиод к клеммам двигателя. Проще всего это сделать, вставив выводы светодиода непосредственно в клеммы мотора. Соедините анод (+) светодиода с одной клеммой, а катод (–) — с другой.

3. Проведение эксперимента. Крепко удерживая корпус двигателя, начните быстро вращать его вал пальцами. Для удобства на вал можно надеть колесо от той же машинки или сделать небольшую рукоятку.

4. Наблюдение и отладка.
• Если светодиод загорелся, значит, генератор работает. Вы вращаете вал с достаточной скоростью, и полярность подключения верна для выбранного направления вращения.
• Если светодиод не горит, попробуйте вращать вал в противоположную сторону. Двигатель постоянного тока при смене направления вращения меняет полярность вырабатываемого напряжения. Возможно, теперь она совпадет с полярностью светодиода.
• Если и это не помогло, поменяйте местами выводы светодиода на клеммах двигателя и повторите попытку с вращением в обе стороны.
• Заметьте, что чем быстрее вы вращаете вал, тем ярче горит светодиод, так как генерируется большее напряжение.

Ответ: Индукционный генератор для светодиодной лампы создается путем прямого подключения выводов светодиода к клеммам двигателя постоянного тока от игрушечной машины. При принудительном механическом вращении вала двигателя в его обмотке, в соответствии с законом электромагнитной индукции, возникает ЭДС, которая создает в цепи электрический ток. Этот ток, проходя через светодиод, заставляет его светиться, демонстрируя преобразование механической энергии в электрическую, а затем в световую.