Ответьте на вопросы, страница 26 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему напряжение на выходе генератора можно принять равным значению ЭДС индукции в нем?

2. Почему индукторы генераторов переменного тока имеют несколько пар полюсов?

1. Почему напряжение на выходе генератора можно принять равным значению ЭДС индукции в нем?

Согласно закону Ома для полной цепи, напряжение на выходе (на клеммах) генератора $\text{U}$ связано с его электродвижущей силой (ЭДС) индукции $\mathcal{E}$ и внутренним сопротивлением $\text{r}$ следующим образом:
$U = \mathcal{E} - I \cdot r$
где $\text{I}$ — сила тока во внешней цепи, а $I \cdot r$ — падение напряжения внутри самого генератора.

Из этой формулы видно, что напряжение $\text{U}$ будет равно ЭДС $\mathcal{E}$ только в том случае, если падение напряжения внутри генератора $I \cdot r$ равно нулю или пренебрежимо мало. Это достигается в следующих случаях:

1. Режим холостого хода. Если к генератору не подключена нагрузка (цепь разомкнута), то сила тока $I = 0$. В этом случае падение напряжения внутри генератора равно нулю ($I \cdot r = 0$), и напряжение на его выходе в точности равно ЭДС: $U = \mathcal{E}$.

2. Малое внутреннее сопротивление. Мощные генераторы конструируют так, чтобы их внутреннее сопротивление $\text{r}$ было как можно меньше. Для этого обмотки изготавливают из толстого провода с высокой проводимостью (например, из меди). Благодаря этому, даже при работе под номинальной нагрузкой (при больших токах $\text{I}$), падение напряжения $I \cdot r$ оказывается очень малым по сравнению со значением ЭДС $\mathcal{E}$.

Следовательно, для большинства практических расчетов и в реальных условиях эксплуатации, когда внутреннее сопротивление генератора крайне мало, можно с высокой точностью принять, что напряжение на его выходе примерно равно значению ЭДС индукции.

Ответ: Напряжение на выходе генератора можно принять равным ЭДС, так как генераторы конструируются с очень малым внутренним сопротивлением, из-за чего падение напряжения внутри самого генератора ($I \cdot r$) пренебрежимо мало по сравнению с его ЭДС. В режиме холостого хода (без нагрузки) это равенство выполняется точно.

2. Почему индукторы генераторов переменного тока имеют несколько пар полюсов?

Использование нескольких пар полюсов в индукторах (вращающейся части, создающей магнитное поле) генераторов переменного тока напрямую связано с необходимостью получения переменного тока стандартной промышленной частоты (в России и Европе — 50 Гц, в Северной Америке — 60 Гц) при различных скоростях вращения первичного двигателя (турбины).

Частота $\text{f}$ вырабатываемого переменного тока, скорость вращения ротора $\text{n}$ (в оборотах в минуту) и число пар полюсов $\text{p}$ связаны формулой:
$f = \frac{n \cdot p}{60}$

Из этой формулы видно, что для получения фиксированной частоты (например, $f = 50$ Гц) существует обратная зависимость между скоростью вращения $\text{n}$ и числом пар полюсов $\text{p}$.

Рассмотрим примеры:
- Если у генератора всего одна пара полюсов ($p=1$), то для получения частоты 50 Гц ротор необходимо вращать со скоростью $n = \frac{f \cdot 60}{p} = \frac{50 \cdot 60}{1} = 3000$ об/мин. Такие высокие скорости характерны для турбогенераторов, приводимых в движение быстрыми паровыми или газовыми турбинами на ТЭС и АЭС.
- Однако для гидрогенераторов на ГЭС, которые приводятся в движение массивными и медленно вращающимися водяными турбинами (например, со скоростью 150 об/мин), достичь таких высоких скоростей вращения механически невозможно и неэффективно. В этом случае для получения частоты 50 Гц необходимо значительно увеличить число пар полюсов: $p = \frac{f \cdot 60}{n} = \frac{50 \cdot 60}{150} = 20$ пар полюсов.

Таким образом, изменяя число пар полюсов, конструкторы могут "настроить" генератор на оптимальную, наиболее эффективную скорость вращения для конкретного типа первичного двигателя, обеспечивая при этом выработку тока стандартной частоты.

Ответ: Несколько пар полюсов позволяют получать переменный ток стандартной промышленной частоты (например, 50 Гц) при относительно низких скоростях вращения ротора. Это необходимо для согласования генератора с тихоходными первичными двигателями, например, с гидравлическими турбинами на гидроэлектростанциях.