Страница 211 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

59.16 [1468] На рисунке VIII-12 изображена схема автоматического электромагнитного предохранителя. Стрелкой показано направление тока. Буквами обозначено: M — электромагнит; Я — якорь; П — пружины; P — рычаг. Рассмотрите рисунок. Объясните действие такого электромагнитного выключателя.

Рис. VIII-12

Данное устройство представляет собой автоматический электромагнитный выключатель (или предохранитель), предназначенный для защиты электрической цепи от токов перегрузки и короткого замыкания. Его работа основана на использовании магнитного поля, создаваемого током, для приведения в действие механизма размыкания цепи. Принцип действия можно описать, рассмотрев два состояния: нормальный режим работы и режим перегрузки.

В нормальном режиме работы электрический ток, протекающий по цепи, имеет номинальное (допустимое) значение. Ток проходит через катушку электромагнита М и через контакты, замкнутые рычагом Р. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом М, оказывается недостаточно сильным, чтобы преодолеть силу упругости пружины П, которая оттягивает якорь Я от сердечника электромагнита. Таким образом, якорь остается неподвижным, рычаг Р зафиксирован в замкнутом положении, и цепь работает в штатном режиме.

Когда в цепи возникает перегрузка или короткое замыкание, сила тока резко возрастает. Поскольку сила электромагнитного притяжения пропорциональна силе тока, протекающего через катушку ($F_{магн} \propto I$), магнитное поле электромагнита М становится очень сильным. Сила притяжения якоря Я к электромагниту превышает силу сопротивления пружины П. В результате якорь Я резко притягивается к электромагниту.

Движение якоря приводит в действие спусковой механизм (защелку), который освобождает рычаг Р. После освобождения рычаг Р под действием другой, более мощной, пружины П резко поворачивается, размыкая электрические контакты. Цепь разрывается, и ток прекращается. Это защищает электропроводку и подключенные к ней устройства от повреждения из-за чрезмерно высокого тока.

Для возобновления работы цепи необходимо сначала устранить причину перегрузки, а затем вручную вернуть рычаг Р в исходное (включенное) положение, тем самым снова замкнув контакты и взведя механизм.

Ответ: Принцип действия выключателя основан на зависимости силы электромагнита от силы тока. В нормальном режиме ток не настолько велик, чтобы электромагнит М смог притянуть якорь Я, удерживаемый пружиной П. При коротком замыкании или перегрузке ток резко возрастает, сила электромагнита становится достаточной, чтобы притянуть якорь. Якорь, в свою очередь, освобождает рычаг Р, который под действием другой пружины П размыкает цепь, прекращая подачу тока и защищая сеть.

59.17 [1469] К каким зажимам электромагнитных реле P1 и P2 (рис. VIII-13) следует подключать цепь с током малой силы, а к каким — рабочую цепь?

Электромагнитное реле (такое как Р1 и Р2) — это устройство, которое позволяет управлять цепью с большим током и напряжением (рабочей цепью) с помощью слабого электрического сигнала (управляющей цепи). Оно состоит из двух основных, электрически не связанных между собой частей: управляющей катушки (электромагнита) и группы силовых контактов.

Подключение цепи с током малой силы

Цепь с током малой силы является управляющей. Ее задача — создать магнитное поле, которое приведет в действие механизм реле. Эту цепь следует подключать к зажимам катушки электромагнита. Катушка реле специально сконструирована так, чтобы даже слабый ток мог создать достаточное магнитное поле для притягивания якоря. Как правило, она состоит из большого числа витков тонкого провода и обладает высоким сопротивлением.

Подключение рабочей цепи

Рабочая цепь — это силовая цепь, которую реле замыкает или размыкает. В этой цепи протекает ток, питающий основную нагрузку (например, лампу, двигатель и т.д.), и этот ток может быть значительно больше тока в управляющей цепи. Рабочую цепь следует подключать к зажимам коммутируемых контактов реле. Эти контакты механически связаны с якорем электромагнита и рассчитаны на прохождение больших токов без повреждения.

Таким образом, подавая малый ток на катушку, мы управляем замыканием или размыканием цепи с большим током.

Ответ: цепь с током малой силы следует подключать к зажимам катушки электромагнита, а рабочую цепь — к зажимам его контактов.

59.18 $[1470^{\circ}]$ Нарисуйте для каждого из реле P1 и P2 схему соединения приборов, чтобы в каждом случае при замыкании рубильника загоралась красная лампочка K, а при размыкании — зелёная З (см. рис. VIII-13).

K

3БАТАРЕЯ $4,5 \text{ В}$

P1

P2

Рис. VIII-13

Схема для реле P1

Анализ реле P1, изображенного на рисунке, показывает, что это электромагнитное реле с одной парой нормально разомкнутых (NO - Normally Open) контактов. При подаче напряжения на катушку реле якорь притягивается к сердечнику и контакты замыкаются. При снятии напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение и контакты размыкаются.

Согласно условию задачи, при размыкании рубильника (когда катушка реле обесточена) должна гореть зелёная лампочка (З), а при замыкании рубильника (когда катушка под напряжением) должна загораться красная лампочка (К), а зелёная — гаснуть.

Выполнить это условие с помощью реле P1, имеющего только нормально разомкнутые контакты, невозможно. Для попеременного включения двух разных цепей (лампочки К и лампочки З) необходимо переключающее устройство с одним общим (C - Common), одним нормально разомкнутым (NO - Normally Open) и одним нормально замкнутым (NC - Normally Closed) контактом. Такое реле называется переключающим или реле типа SPDT (Single Pole Double Throw).

Вероятно, на рисунке допущена неточность, или реле P1 изображено упрощенно, и подразумевается, что оно является переключающим. Ниже приведена схема, которая решает поставленную задачу, в предположении, что P1 — это переключающее реле.

Решение (в предположении, что P1 - переключающее реле):
Схема состоит из двух независимых цепей: управляющей и управляемой.

1. Управляющая цепь: включает в себя рубильник, батарею на 4,5 В и катушку реле P1, соединенные последовательно. При замыкании рубильника ток течет по катушке, и реле срабатывает.
2. Управляемая цепь: включает в себя вторую батарею, лампочки К и З и контакты реле. Общий контакт (C) реле подключается к плюсу батареи. Нормально замкнутый контакт (NC), который замкнут при обесточенной катушке, подключается к зелёной лампочке (З). Нормально разомкнутый контакт (NO), который замыкается при срабатывании реле, подключается к красной лампочке (К). Вторые выводы обеих лампочек подключаются к минусу батареи.

Таким образом, когда рубильник разомкнут, реле неактивно, и цепь замкнута через NC контакт, зажигая зелёную лампочку З. Когда рубильник замыкается, реле срабатывает, размыкая NC контакт (зелёная лампочка гаснет) и замыкая NO контакт (красная лампочка загорается).

Ответ:

Принципиальная электрическая схема соединения приборов для реле P1 (в предположении, что это переключающее реле):

Реле P2, в отличие от P1, на рисунке явно изображено как переключающее реле. У него есть катушка (выводы слева) и группа контактов: общий (подвижный якорь), верхний (нормально замкнутый, NC) и нижний (нормально разомкнутый, NO). Пружина удерживает якорь в верхнем положении, замыкая цепь с контактом NC. При подаче тока на катушку якорь притягивается вниз, размыкая контакт NC и замыкая контакт NO. Такое устройство идеально подходит для решения задачи.

Решение:
Схема собирается аналогично предыдущей, используя две независимые цепи.

1. Управляющая цепь: Рубильник, батарея на 4,5 В и катушка реле P2 (левые выводы на рисунке) соединяются последовательно.
2. Управляемая цепь: Используется вторая батарея и контакты реле.
   • Плюс батареи подключается к общему контакту реле (подвижный якорь).
   • Нормально замкнутый контакт (верхний) подключается к зелёной лампочке (З).
   • Нормально разомкнутый контакт (нижний) подключается к красной лампочке (К).
   • Вторые выводы обеих лампочек соединяются вместе и подключаются к минусу батареи.

Принципиальная электрическая схема соединения приборов для реле P2:

59.19 [н] Представьте, что мы зарядили очень длинную палочку из диэлектрика и с большой скоростью перемещаемся вдоль неё. Будет ли у нас возможность обнаружить магнитное поле заряженной палочки?

Решение

Данный вопрос связан с фундаментальным принципом теории относительности, который гласит, что физические явления зависят от системы отсчета наблюдателя. Рассмотрим ситуацию с двух точек зрения.

1. Система отсчета, связанная с палочкой. В этой системе отсчета заряженная палочка неподвижна. Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя только постоянное во времени электрическое (электростатическое) поле. Поскольку заряды не движутся, электрический ток отсутствует, и, следовательно, магнитное поле не возникает. Для наблюдателя, покоящегося рядом с палочкой, магнитного поля нет.

2. Система отсчета, связанная с нами (движущимся наблюдателем). В нашей системе отсчета мы покоимся, а заряженная палочка движется мимо нас с большой скоростью $v$. Движение зарядов представляет собой электрический ток. Если палочка заряжена с линейной плотностью заряда $\lambda$ (заряд на единицу длины), то ее движение эквивалентно току $I$, текущему вдоль оси палочки. Этот ток можно выразить как $I = \lambda v$.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа (или теореме Ампера), любой электрический ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. Для длинного прямолинейного проводника с током $I$ величина магнитной индукции $B$ на расстоянии $r$ от него определяется формулой: $B = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$ где $\mu_0$ — магнитная постоянная.

Таким образом, перемещаясь вдоль заряженной палочки, мы будем находиться в магнитном поле, созданном этой же палочкой, так как с нашей точки зрения она является источником тока. Линии этого магнитного поля будут представлять собой окружности, центры которых лежат на палочке, а плоскости перпендикулярны ей.

Этот пример иллюстрирует, что электрическое и магнитное поля являются разными проявлениями единого электромагнитного поля. То, что в одной инерциальной системе отсчета является чисто электрическим полем, в другой, движущейся относительно первой, будет восприниматься как комбинация электрического и магнитного полей.

Ответ: Да, у нас будет возможность обнаружить магнитное поле заряженной палочки. Относительно движущегося наблюдателя заряженная палочка представляет собой электрический ток, который, в свою очередь, порождает вокруг себя магнитное поле.