Ответьте на вопросы, страница 39 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему обрыв цепи переменного тока приводит к прекращению в нем тока, а подключение конденсатора — нет?

2. Почему в цепи постоянного тока для регулировки силы тока используют реостат, в цепях переменного тока — катушку индуктивности или конденсатор?

1. Почему обрыв цепи переменного тока приводит к прекращению в нем тока, а подключение конденсатора — нет?

Обрыв цепи переменного тока означает создание в ней воздушного промежутка. Воздух является диэлектриком, и этот промежуток можно рассматривать как конденсатор с очень малой электрической емкостью $\text{C}$. Сопротивление, которое оказывает конденсатор переменному току, называется емкостным сопротивлением и определяется формулой $X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{2\pi f C}$, где $\text{f}$ — частота тока, а $\text{C}$ — емкость. Поскольку емкость воздушного промежутка $\text{C}$ чрезвычайно мала (близка к нулю), его емкостное сопротивление $X_C$ оказывается бесконечно большим. Такое огромное сопротивление и приводит к практическому прекращению тока в цепи.

При подключении в цепь специально изготовленного конденсатора, он обладает значительной, конечной емкостью $\text{C}$. Следовательно, его емкостное сопротивление $X_C$ также имеет конечное, преодолимое для тока значение. Переменный ток в цепи с конденсатором существует за счет непрерывных циклов его перезарядки. Хотя носители заряда не проходят сквозь диэлектрик между обкладками конденсатора, их упорядоченное движение в проводниках цепи к обкладкам и от них создает переменный ток. Таким образом, конденсатор, являясь разрывом для постоянного тока, пропускает переменный ток.

Ответ: Обрыв цепи эквивалентен конденсатору с бесконечно большим сопротивлением из-за его ничтожно малой емкости, что блокирует ток. Специально подключенный конденсатор имеет конечное емкостное сопротивление, которое не прекращает, а лишь ограничивает переменный ток в цепи за счет процессов его непрерывной зарядки и разрядки.

2. Почему в цепи постоянного тока для регулировки силы тока используют реостат, а в цепях переменного тока — катушку индуктивности или конденсатор?

В цепи постоянного тока сила тока $\text{I}$ определяется законом Ома: $I = \frac{U}{R}$, где $\text{U}$ — напряжение, а $\text{R}$ — сопротивление цепи. Для регулировки силы тока необходимо изменять сопротивление. Реостат — это, по сути, переменный резистор, который позволяет плавно изменять сопротивление цепи и, следовательно, управлять силой тока. Однако недостатком такого способа является то, что на реостате, согласно закону Джоуля-Ленца ($P = I^2 R$), выделяется тепловая мощность. Это приводит к бесполезным потерям энергии.

В цепях переменного тока для регулировки силы тока $I = \frac{U}{Z}$ (где $\text{Z}$ — полное сопротивление или импеданс) также можно было бы использовать реостат, но это неэффективно по той же причине — большие потери энергии на нагрев. Вместо этого используют так называемые реактивные элементы: катушки индуктивности и конденсаторы.

Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением $X_L = \omega L = 2\pi f L$, а конденсатор — емкостным $X_C = \frac{1}{\omega C}$. Эти сопротивления, в отличие от активного сопротивления реостата, не приводят к выделению тепла (в идеальном случае). Катушка индуктивности и конденсатор поочередно накапливают энергию (в магнитном или электрическом поле) и возвращают ее обратно в цепь в течение периода колебаний. Они ограничивают ток, не потребляя при этом активной мощности, то есть не расходуя энергию впустую. Такой способ регулировки тока является гораздо более энергоэффективным.

Ответ: В цепях постоянного тока для регулировки тока используют реостат, так как это единственный способ изменить сопротивление цепи. Этот метод связан с потерями энергии на нагрев. В цепях переменного тока используют катушки индуктивности и конденсаторы, так как их реактивное сопротивление позволяет управлять силой тока без значительных потерь энергии, что делает их более эффективными, чем реостат.