Экспериментальное задание, страница 29 - 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, который будет питать светодиодную лампу, необходимо выполнить следующие шаги. Этот процесс демонстрирует принцип электромагнитной индукции и преобразование механической энергии в электрическую.

Материалы и оборудование

• Маленький электродвигатель постоянного тока (извлеченный из игрушечной машины).
• Светодиод (LED) любого цвета, рассчитанный на низкое напряжение (например, 3 В).
• Соединительные провода.
• (По желанию) Рукоятка или шкив для вала двигателя, чтобы его было удобнее вращать.
• (По желанию) Мультиметр для проверки напряжения.
• (Рекомендуется) Резистор для ограничения тока (номинал зависит от светодиода, обычно в диапазоне 50–220 Ом).

Теоретическое обоснование

В основе работы генератора лежит явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток. Величина индуцированной ЭДС (электродвижущей силы) определяется законом Фарадея: $ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi}{dt} $, где $ \Phi $ — магнитный поток.
Любой коллекторный двигатель постоянного тока является обратимой электрической машиной. Если к его клеммам подвести напряжение, он будет работать как двигатель, преобразуя электрическую энергию в механическую. Если же принудительно вращать его вал, то рамки его обмотки будут пересекать силовые линии постоянного магнита, в них будет индуцироваться ЭДС, и на клеммах появится напряжение. Таким образом, двигатель начнет работать как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую.
Светодиод — это полупроводниковый прибор, который пропускает ток только в одном направлении. У него есть анод (+) (обычно более длинный вывод) и катод (–) (более короткий вывод). Он загорается, только если подключен в правильной полярности. Полярность напряжения на клеммах нашего генератора будет зависеть от направления вращения вала.

Ход работы

1. Подготовка компонентов. Возьмите электродвигатель и светодиод. Для удобства вращения на вал двигателя можно надеть небольшой шкив или просто приклеить небольшую рукоятку.
2. Определение полярности (необязательно, но полезно). Подключите к клеммам двигателя мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения (DCV). Начните вращать вал двигателя в одном направлении и зафиксируйте показания и полярность. Затем повращайте в другом. Вы заметите, что знак напряжения меняется. Это поможет понять, в какую сторону нужно вращать вал для получения нужной полярности.
3. Подключение светодиода. С помощью проводов подключите светодиод к клеммам двигателя. Соедините одну клемму с анодом (+) светодиода, а другую — с катодом (–).
4. Проверка работы. Начните вращать вал двигателя. Если светодиод не загорается, попробуйте вращать вал в противоположном направлении. Поскольку светодиод пропускает ток только в одну сторону, он будет светиться только при одном направлении вращения. Яркость свечения будет прямо пропорциональна скорости вращения вала.
5. Защита светодиода (рекомендуется). При очень быстром вращении напряжение может оказаться слишком высоким для светодиода, и он может перегореть. Чтобы этого избежать, последовательно со светодиодом нужно включить токоограничивающий резистор. Его сопротивление можно рассчитать по формуле: $ R = (V_{ген} - V_{сд}) / I_{сд} $, где $ V_{ген} $ — напряжение генератора, $ V_{сд} $ — рабочее напряжение светодиода (обычно 1.8-3.3 В), а $ I_{сд} $ — его рабочий ток (обычно 0.01-0.02 А). Например, для генератора, выдающего 3 В, и красного светодиода (2 В, 20 мА) потребуется резистор $ R = (3 \text{ В} - 2 \text{ В}) / 0.02 \text{ А} = 50 \text{ Ом} $. Резистор можно подключить к любому из выводов светодиода.

Вывод

В результате проделанной работы был создан простой индукционный генератор. При вращении вала двигателя механическая энергия преобразуется в электрическую, которая заставляет светиться светодиод. Эксперимент наглядно демонстрирует принцип обратимости электрических машин и закон электромагнитной индукции.

Ответ: Для создания индукционного генератора необходимо использовать двигатель от игрушечной машины в режиме генератора. Для этого нужно вручную вращать его вал. К клеммам двигателя подключается светодиодная лампа (светодиод). Поскольку светодиод пропускает ток только в одном направлении, а полярность генератора зависит от направления вращения, может потребоваться вращать вал в определенную сторону или поменять полярность подключения. При вращении вала в обмотках двигателя индуцируется ЭДС, возникает электрический ток, который и зажигает лампу. Яркость свечения зависит от скорости вращения вала. Для защиты светодиода от перегорания при быстром вращении рекомендуется последовательно с ним подключить токоограничивающий резистор.