Ответьте на вопросы, страница 32 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему стрелка измерительных приборов для переменного тока не достигает максимального угла отклонения при максимальном значении силы тока?

2. Почему амперметры и вольтметры для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока нельзя использовать в цепи переменного тока?

1. Почему стрелка измерительных приборов для переменного тока не достигает максимального угла отклонения при максимальном значении силы тока?

Переменный ток представляет собой электрический ток, который периодически изменяет свое значение и направление. В стандартных электросетях частота этих изменений составляет 50 Гц, то есть ток проходит полный цикл 50 раз в секунду. В течение каждого цикла значение тока колеблется от нуля до максимального (амплитудного) значения $I_{max}$, затем уменьшается до нуля, достигает отрицательного максимального значения $-I_{max}$ и снова возвращается к нулю.

Подвижная система измерительного прибора, к которой относится и стрелка, обладает массой и, следовательно, инерцией. Из-за инерции стрелка не может следовать за столь быстрыми (50 раз в секунду) изменениями силы тока. Она не успевает отклониться на максимальный угол и вернуться обратно.

Вместо этого стрелка устанавливается в положение, которое соответствует не мгновенному или максимальному значению, а усредненному эффекту тока за период. Приборы для переменного тока (электромагнитной, электродинамической или тепловой систем) проградуированы для измерения так называемого действующего или эффективного значения тока. Действующее значение переменного тока $I_{Д}$ — это значение такого постоянного тока, который производит такое же тепловое действие.

Для синусоидального тока действующее значение связано с максимальным (амплитудным) значением $I_{max}$ следующей формулой: $I_{Д} = \frac{I_{max}}{\sqrt{2}} \approx 0.707 \cdot I_{max}$.

Таким образом, прибор показывает значение, которое примерно на 30% меньше максимального. Именно этому действующему значению, а не максимальному, и соответствует угол отклонения стрелки.

Ответ: Стрелка измерительных приборов для переменного тока обладает инерцией и не способна отслеживать быстрые колебания тока. Поэтому она показывает не максимальное (амплитудное) значение, а усредненное, так называемое действующее (эффективное) значение, которое для синусоидального тока меньше максимального в $\sqrt{2}$ раз.

2. Почему амперметры и вольтметры для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока нельзя использовать в цепи переменного тока?

Основным типом приборов для измерения постоянного тока и напряжения являются приборы магнитоэлектрической системы. Их работа основана на взаимодействии проводника с током (подвижной катушки, к которой прикреплена стрелка) с полем постоянного магнита.

Направление силы, действующей на катушку, и, следовательно, направление отклонения стрелки, зависит от направления тока в катушке. В цепи постоянного тока его направление неизменно, поэтому стрелка отклоняется в одну сторону на угол, пропорциональный силе тока.

При включении такого прибора в цепь переменного тока с частотой 50 Гц, направление тока в катушке меняется на противоположное 100 раз в секунду. Это приводит к тому, что вращающий момент, действующий на катушку, также 100 раз в секунду меняет свое направление.

Подвижная система прибора (катушка со стрелкой) является инертной и не может совершать колебания с такой высокой частотой. В результате среднее значение вращающего момента за один период равно нулю. Стрелка прибора либо будет незначительно вибрировать около нулевого деления шкалы, либо останется неподвижной на нуле. Фактически прибор покажет нулевое значение.

Ответ: В приборах для постоянного тока (магнитоэлектрических) направление отклонения стрелки зависит от направления тока. В цепи переменного тока его направление быстро и периодически меняется, заставляя вращающую силу действовать на стрелку то в одну, то в другую сторону. Из-за инерции стрелка не успевает реагировать на эти изменения, и ее среднее отклонение равно нулю.