Творческое задание, страница 50 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение на тему:

Использование активного сопротивления, катушки и конденсатора в электро- и радиоприборах.

Активное сопротивление (резистор), катушка индуктивности и конденсатор являются тремя фундаментальными пассивными компонентами, на которых строится практически вся современная электроника и радиотехника. Каждый из этих элементов обладает уникальными свойствами по отношению к электрическому току и напряжению, что позволяет использовать их для выполнения широчайшего спектра задач: от простого ограничения тока до сложной фильтрации и обработки сигналов.

Использование активного сопротивления (резисторов)

Активное сопротивление, физически реализуемое в виде резистора, — это элемент, основной функцией которого является оказание сопротивления прохождению электрического тока. Его сопротивление $\text{R}$ не зависит от частоты тока (в идеале). При прохождении тока через резистор электрическая энергия необратимо преобразуется в тепловую в соответствии с законом Джоуля-Ленца: $Q = I^2Rt$.

Основные области применения резисторов:

1. Ограничение тока. Резисторы последовательно включают в цепь для защиты компонентов, чувствительных к величине тока, например, светодиодов. Без резистора светодиод, подключенный к источнику напряжения, сгорел бы из-за слишком большого тока.

2. Делители напряжения. Два последовательно соединенных резистора образуют делитель напряжения, позволяющий получить на выходе напряжение $V_{out}$, составляющее часть входного напряжения $V_{in}$: $V_{out} = V_{in} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}$. Это широко используется для создания опорных напряжений в схемах.

3. Нагревательные элементы. Способность преобразовывать электроэнергию в тепло используется в электронагревательных приборах: электроплитах, обогревателях, тостерах, а также в лампах накаливания, где нить из вольфрама является резистором.

4. Нагрузочные и подтягивающие резисторы. В цифровой технике используются подтягивающие (pull-up) и стягивающие (pull-down) резисторы для задания определенного логического уровня на входе микросхемы, когда он неактивен. Нагрузочные резисторы применяются для тестирования источников питания и усилителей.

Ответ: Активные сопротивления (резисторы) в электро- и радиоприборах используются для ограничения тока, деления напряжения, в качестве нагревательных элементов, а также в качестве нагрузочных и подтягивающих элементов в цифровых и аналоговых схемах.

Использование катушек индуктивности

Катушка индуктивности (или индуктор) представляет собой проводник, как правило, скрученный в спираль. Ее основное свойство — индуктивность $\text{L}$, то есть способность накапливать энергию в магнитном поле при протекании через нее тока. Катушка препятствует изменению тока в цепи, создавая ЭДС самоиндукции. Ее реактивное сопротивление переменному току зависит от частоты: $X_L = \omega L = 2\pi fL$, где $\text{f}$ — частота тока.

Основные области применения катушек индуктивности:

1. Фильтры. Катушки хорошо пропускают постоянный и низкочастотный ток, но создают большое сопротивление для токов высокой частоты. В комбинации с конденсаторами они образуют LC-фильтры, которые являются основой для выделения или подавления сигналов определенной частоты. Это используется в аудио кроссоверах (для разделения звука на разные динамики) и в блоках питания для сглаживания пульсаций.

2. Колебательные контуры. Катушка и конденсатор, соединенные вместе, образуют колебательный контур. Такой контур имеет резонансную частоту $f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ и является основой работы радиоприемников и радиопередатчиков, позволяя настраиваться на определенную радиостанцию.

3. Трансформаторы и дроссели. Трансформатор, состоящий из двух или более индуктивно связанных катушек, используется для повышения или понижения переменного напряжения. Это ключевой элемент в системах электроснабжения и блоках питания. Дроссели (одиночные катушки) используются для подавления помех в цепях питания.

4. Накопление энергии. В импульсных источниках питания (например, в зарядных устройствах для телефонов) катушки используются для временного накопления энергии в магнитном поле и ее последующей отдачи в нагрузку, что обеспечивает очень эффективное преобразование напряжения.

5. Электромагниты. Катушка, по которой протекает постоянный ток, создает сильное магнитное поле. Это свойство используется в реле, соленоидах (электромагнитные замки, клапаны) и электродвигателях.

Ответ: Катушки индуктивности применяются в качестве фильтров частот, являются ключевым элементом колебательных контуров в радиотехнике, используются в трансформаторах для изменения напряжения, в импульсных блоках питания для накопления энергии, а также в качестве электромагнитов в реле и двигателях.

Использование конденсаторов

Конденсатор — это устройство, состоящее из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. Его основное свойство — емкость $\text{C}$, то есть способность накапливать электрический заряд и энергию в электрическом поле. Конденсатор препятствует изменению напряжения на нем. Его реактивное сопротивление переменному току обратно пропорционально частоте: $X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{2\pi fC}$.

Основные области применения конденсаторов:

1. Сглаживающие фильтры в блоках питания. После выпрямления переменного тока в постоянный остаются пульсации напряжения. Конденсатор большой емкости, подключенный параллельно нагрузке, сглаживает эти пульсации, заряжаясь при пиках напряжения и разряжаясь при спадах.

2. Фильтрация и развязка по питанию. Конденсаторы используются для фильтрации высокочастотных шумов и помех в цепях питания электронных устройств. Маленькие конденсаторы (блокировочные или развязывающие) размещают рядом с микросхемами, чтобы обеспечить их стабильным питанием.

3. Разделительные конденсаторы. Конденсатор не пропускает постоянный ток, но пропускает переменный. Это свойство используется для передачи полезного переменного сигнала (например, звукового) между каскадами усилителя, при этом блокируя постоянное напряжение смещения одного каскада от влияния на другой.

4. Колебательные контуры и фильтры. Аналогично катушкам, конденсаторы являются неотъемлемой частью LC-контуров для настройки на частоту в радиоаппаратуре. В RC-фильтрах (в паре с резистором) они также используются для выделения или подавления определенных частот.

5. Времязадающие цепи. Время заряда или разряда конденсатора через резистор ($\tau = RC$) можно использовать для создания задержек, генерации импульсов и тактирования в электронных схемах, например, в таймерах и генераторах.

Ответ: Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций напряжения в блоках питания, для фильтрации помех, для разделения каскадов усиления по постоянному току, в составе колебательных контуров и фильтров для частотной селекции, а также во времязадающих цепях.