Эксперимент, страница 24 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

Проведите наблюдение работы модели индукционного генератора переменного и постоянного тока (рис. 14).

Рис. 14. Модели индукционных генераторов постоянного и переменного тока (динамомашин): 1) щетки; 2) кольца; 3) рамка

Данный эксперимент демонстрирует принцип работы генераторов электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции. Суть явления заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. В обеих моделях изменение магнитного потока достигается за счет вращения рамки с проводом (3) в постоянном магнитном поле, создаваемом магнитом.

В этой модели концы вращающейся рамки (3) соединены с двумя отдельными сплошными металлическими кольцами (2), называемыми контактными кольцами. К каждому кольцу прижата неподвижная щетка (1), которые подключают генератор к лампочке.

При вращении ручки, рамка начинает вращаться в магнитном поле. В результате изменения магнитного потока через рамку в ней, согласно закону Фарадея для электромагнитной индукции ($ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} $), наводится ЭДС и возникает индукционный ток. Мы наблюдаем, что лампочка загорается.

За один полный оборот рамки направление индуцированного в ней тока меняется дважды. Это происходит потому, что каждая сторона рамки, двигаясь в магнитном поле, пересекает силовые линии то вверх, то вниз. Поскольку каждая щетка постоянно контактирует со своим кольцом, это изменение направления тока в рамке передается и во внешнюю цепь. Таким образом, ток, питающий лампочку, является переменным – он периодически меняет свое направление и величину. При медленном вращении можно заметить мерцание лампочки. При увеличении скорости вращения яркость свечения лампочки возрастает, так как увеличивается скорость изменения магнитного потока и, следовательно, величина индуцируемой ЭДС.

Ответ: В генераторе с контактными кольцами вырабатывается переменный ток. При вращении рамки лампочка светится, а ее яркость увеличивается с ростом скорости вращения.

Эта модель отличается от первой устройством для съема тока. Вместо двух сплошных колец здесь используется коллектор — одно кольцо, разделенное на две электрически изолированные друг от друга половины (полукольца). Каждый конец рамки (3) присоединен к своему полукольцу. Щетки (1) расположены так, что в момент, когда направление тока в рамке меняется, они переходят с одного полукольца на другое.

При вращении рамки в ней, как и в первом случае, индуцируется переменный ток. Однако коллектор выполняет функцию механического выпрямителя. В тот момент, когда ток в рамке готов изменить направление, каждая щетка соскальзывает со своего полукольца и начинает контактировать с другим. Это переключение происходит синхронно с изменением направления тока в рамке. В результате, хотя ток в самой рамке переменный, во внешней цепи (в лампочке) он течет всегда в одном направлении.

Мы наблюдаем, что лампочка светится, но ток не является строго постоянным по величине. Его величина изменяется (пульсирует) от нуля до максимального значения и обратно дважды за один оборот рамки. Поэтому такой ток называют пульсирующим постоянным током. Яркость лампочки также будет пульсировать, что заметно при медленном вращении. Увеличение скорости вращения увеличивает частоту пульсаций и среднюю яркость свечения лампочки.

Ответ: В генераторе с коллектором (разрезными кольцами) вырабатывается пульсирующий постоянный ток. При вращении рамки лампочка светится, ток во внешней цепи течет в одном направлении, а яркость свечения увеличивается с ростом скорости вращения.