Страница 217 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

61.7 [н] Определите направление вектора индукции магнитного поля, созданного круговым током контура A, в центре проволочного кольца B (см. рис. VIII-26). Как изменяется магнитный поток, пронизывающий контур B, при смещении движка реостата в правую сторону? Перенесите рисунок в тетрадь и обозначьте направление индукционного тока в ближайшей к нам стороне контура B.

Рис. VIII-26

Определение направления вектора индукции магнитного поля в контуре B

В контуре А, подключенном к источнику тока, ток течет от положительного полюса (длинная черта) к отрицательному (короткая черта). Это означает, что в витке А, если смотреть спереди (со стороны контура В), ток течет по часовой стрелке: в верхней части от нас, в нижней части к нам, а в ближайшей к наблюдателю стороне — вниз. Согласно правилу правой руки (правилу буравчика), для определения направления вектора магнитной индукции `\vec{B}` внутри витка с током, нужно мысленно вращать буравчик по направлению тока. Его поступательное движение укажет направление вектора `\vec{B}`. При течении тока по часовой стрелке, вектор магнитной индукции `\vec{B}` будет направлен от наблюдателя, то есть **влево**.

Ответ: Вектор индукции магнитного поля, созданного током в контуре А, в центре контура В направлен влево.

Изменение магнитного потока через контур B

Магнитный поток `\Phi`, пронизывающий контур В, прямо пропорционален магнитной индукции `B` поля, создаваемого контуром А: $\Phi \propto B$. В свою очередь, магнитная индукция `B` прямо пропорциональна силе тока `I` в контуре А: $B \propto I$. При смещении движка реостата `R` вправо его сопротивление, включенное в цепь, увеличивается. Согласно закону Ома для полной цепи $I = \frac{\mathcal{E}}{R_{общ}}$, увеличение общего сопротивления цепи `R_{общ}` приводит к уменьшению силы тока `I`. Следовательно, уменьшение тока `I` в контуре А вызывает уменьшение создаваемого им магнитного поля `B`, что, в свою очередь, приводит к уменьшению магнитного потока `\Phi` через контур В.

Ответ: Магнитный поток, пронизывающий контур В, уменьшается.

Определение направления индукционного тока в контуре B

В соответствии с правилом Ленца, при изменении магнитного потока через проводящий контур в нем возникает индукционный ток такого направления, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Поскольку магнитный поток через контур В, направленный влево, уменьшается, индукционный ток в контуре В должен создать собственное магнитное поле `\vec{B}_{инд}`, направленное так, чтобы скомпенсировать это уменьшение. То есть, `\vec{B}_{инд}` должно быть сонаправлено с исходным полем `\vec{B}` — тоже **влево**. Снова применяем правило правой руки, но теперь для контура В: чтобы создаваемое им магнитное поле было направлено влево (большой палец левой руки указывает влево), ток в контуре должен течь по часовой стрелке, если смотреть спереди. Это означает, что в ближайшей к нам стороне контура В индукционный ток будет направлен **вниз**.

Ответ: В ближайшей к нам стороне контура В индукционный ток направлен вниз.

61.8[н] Объясните «консерватизм» поведения индукционного тока в проводнике, отражённый в формулировке правила Ленца.

61.8 [H]

«Консерватизм» индукционного тока, отражённый в правиле Ленца, заключается в его свойстве всегда противодействовать причине, его вызывающей, то есть изменению магнитного потока. Это явление аналогично инертности в механике, где тело сопротивляется изменению своей скорости. Система стремится сохранить свое состояние (в данном случае, значение магнитного потока) неизменным.

Правило Ленца формулируется следующим образом: индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им собственное магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Рассмотрим это «консервативное» поведение на двух ключевых примерах:

1. Увеличение магнитного потока. Если внешний магнитный поток, пронизывающий контур, увеличивается, то индукционный ток создаст собственное магнитное поле, направленное против внешнего поля. Это индуцированное поле будет стремиться уменьшить суммарный магнитный поток, как бы «сопротивляясь» его росту и пытаясь «сохранить» (консервировать) прежнее, меньшее значение потока.
2. Уменьшение магнитного потока. Если внешний магнитный поток через контур уменьшается, то индукционный ток создаст собственное магнитное поле, сонаправленное с внешним полем. Это индуцированное поле будет стремиться увеличить суммарный магнитный поток, «поддерживая» его и противодействуя его ослаблению. Таким образом, ток снова пытается «сохранить» прежнее, большее значение потока.

Этот «консерватизм» является фундаментальным следствием закона сохранения энергии. Если бы индукционный ток не противодействовал, а наоборот, усиливал изменение магнитного потока, то любое малое изменение привело бы к лавинообразному, самоподдерживающемуся нарастанию тока и магнитного поля без каких-либо затрат энергии извне. Это означало бы возможность создания вечного двигателя, что противоречит основам физики. На самом деле, для создания индукционного тока необходимо совершить работу против сил, создаваемых его же магнитным полем (силы Ленца). Эта механическая работа и преобразуется в энергию индукционного тока, которая затем обычно выделяется в виде тепла.

Математически это свойство отражено в законе электромагнитной индукции Фарадея знаком «минус»:

$\mathcal{E}_{ind} = - \frac{d\Phi_B}{dt}$

где $\mathcal{E}_{ind}$ — это ЭДС индукции, а $\frac{d\Phi_B}{dt}$ — скорость изменения магнитного потока. Знак «минус» как раз и является математическим выражением правила Ленца, указывая на то, что возникающая ЭДС (и, следовательно, индукционный ток) направлена так, чтобы противодействовать изменению потока.

Ответ: «Консерватизм» индукционного тока, описываемый правилом Ленца, — это его свойство всегда противодействовать причине своего возникновения, то есть изменению магнитного потока. При увеличении потока ток своим полем ослабляет его, а при уменьшении — усиливает, стремясь сохранить исходное состояние магнитного поля. Это поведение является прямым следствием закона сохранения энергии, который требует совершения работы для создания электрического тока и не допускает самопроизвольного бесконечного усиления поля и тока.

61.9 [н] Меняется ли направление вектора индукции магнитного поля контура А при замыкании и размыкании ключа K (см. рис. VIII-26)? Что при этом происходит с магнитным потоком, пронизывающим контур B? Перенесите рисунок в тетрадь и обозначьте направление индукционного тока в ближайшей к нам стороне контура B:

в момент замыкания ключа;

в момент размыкания ключа?

Меняется ли направление вектора индукции магнитного поля контура А при замыкании и размыкании ключа К?
Направление тока в контуре А определяется полярностью источника тока и не меняется при замыкании или размыкании ключа. Согласно правилу правой руки (правилу буравчика), направление вектора магнитной индукции $\vec{B_A}$, создаваемого током, зависит от направления самого тока. Поскольку направление тока в контуре А не изменяется, то и направление вектора магнитной индукции его поля остается постоянным. При замыкании и размыкании ключа меняется только величина (модуль) этого вектора: он возрастает от нуля до некоторого значения при замыкании и убывает до нуля при размыкании.

Ответ: нет, направление вектора индукции магнитного поля контура А не меняется.

Что при этом происходит с магнитным потоком, пронизывающим контур В?
Магнитный поток $\Phi_B$, пронизывающий контур B, создается магнитным полем контура А. Величина магнитного потока прямо пропорциональна величине магнитной индукции $B_A$.
При замыкании ключа ток в контуре А нарастает, что приводит к увеличению магнитной индукции $B_A$. Следовательно, магнитный поток $\Phi_B$ через контур B возрастает.
При размыкании ключа ток в контуре А спадает до нуля, что приводит к уменьшению магнитной индукции $B_A$. Следовательно, магнитный поток $\Phi_B$ через контур B убывает.

Ответ: при замыкании ключа магнитный поток, пронизывающий контур B, возрастает; при размыкании ключа — убывает.

Направление индукционного тока в ближайшей к нам стороне контура B

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Для определения конкретного направления тока необходимо знать, как намотаны катушки и как подключен источник. Предположим, что обе катушки (контуры А и В) намотаны в одну сторону и расположены на одной оси, а в контуре А ток в ближайшей к нам стороне течет вниз (что соответствует стандартному подключению к источнику, где "+" вверху, а "-" внизу).

По правилу правой руки для соленоида, если ток в его передних витках течет вниз, то вектор магнитной индукции $\vec{B_A}$ внутри катушки А направлен влево. Этот же поток пронизывает и катушку B.

• в момент замыкания ключа:
  Магнитный поток $\Phi_B$ через контур B, направленный влево, возрастает. Согласно правилу Ленца, возникающий в контуре B индукционный ток создаст собственное магнитное поле $\vec{B_{ind}}$, направленное в противоположную сторону, то есть вправо. Чтобы создать поле, направленное вправо, ток в ближайшей к нам стороне контура B должен течь вверх.
• в момент размыкания ключа:
  Магнитный поток $\Phi_B$ через контур B, направленный влево, убывает. Согласно правилу Ленца, индукционный ток в контуре B создаст магнитное поле $\vec{B_{ind}}$, которое будет стремиться поддержать убывающий поток, то есть будет сонаправлено с ним — влево. Чтобы создать поле, направленное влево, ток в ближайшей к нам стороне контура B должен течь вниз.

Ответ: при сделанном предположении о намотке катушек (ток в ближней стороне катушки А течет вниз), в момент замыкания ключа индукционный ток в ближайшей к нам стороне контура B направлен вверх; в момент размыкания ключа — вниз.

61.10 [н] Какие силы — притяжения или отталкивания — возникают между контурами А и В (см. рис. VIII-26) при увеличении магнитного потока; при его уменьшении?

Рис. VIII-26

Для решения задачи воспользуемся правилом Ленца и правилом взаимодействия параллельных токов (или магнитных полей).

В контуре А, который подключен к источнику, течет постоянный ток $I_A$. Направление тока по правилам для электрической цепи — от положительного полюса источника к отрицательному. Глядя на рисунок, можно определить, что в передней, видимой нам части витков, ток направлен вверх. Применяя правило правой руки (или правило буравчика) к контуру А, определяем направление создаваемого им магнитного поля. Внутри контура вектор магнитной индукции $B_A$ направлен влево. Это магнитное поле пронизывает замкнутый контур В, создавая в нем магнитный поток $\Phi_B$.

при увеличении магнитного потока

Увеличение магнитного потока через контур В происходит, например, при уменьшении сопротивления реостата $R$, что приводит к увеличению тока $I_A$ в контуре А. Согласно правилу Ленца, в контуре В возникает индукционный ток $I_B$ такого направления, чтобы своим собственным магнитным полем $B_B$ противодействовать изменению внешнего магнитного потока. Так как внешний поток $\Phi_B$, созданный полем $B_A$ (направленным влево), увеличивается, то индуцированное магнитное поле $B_B$ будет направлено в противоположную сторону, то есть вправо.

Чтобы создать магнитное поле $B_B$, направленное вправо, индукционный ток $I_B$ в передней части витков контура В должен быть направлен вниз (согласно правилу правой руки). В то же время ток $I_A$ в передней части контура А направлен вверх. Токи в ближайших друг к другу участках контуров А и В текут в противоположных направлениях. Проводники с противоположно направленными токами отталкиваются. Следовательно, между контурами А и В возникает сила отталкивания.

Альтернативное объяснение через магнитные полюса: контур А создает магнитное поле, у которого слева — северный полюс (N), справа — южный (S). Индуцированное поле в контуре В направлено вправо, значит, у контура В слева будет южный полюс (S), а справа — северный (N). Однако, так как поле $B_B$ противодействует полю $B_A$, то контуры оказываются обращены друг к другу одноименными полюсами (N контура A к N индуцированного поля B). Одноименные полюса отталкиваются.

Ответ: при увеличении магнитного потока между контурами возникают силы отталкивания.

при его уменьшении

Уменьшение магнитного потока через контур В происходит, например, при увеличении сопротивления реостата $R$, что приводит к уменьшению тока $I_A$ в контуре А. Согласно правилу Ленца, возникающий в контуре В индукционный ток $I_B$ будет создавать собственное магнитное поле $B_B$, которое стремится поддержать убывающий внешний поток. Так как внешний поток, направленный влево, уменьшается, индуцированное поле $B_B$ будет сонаправлено с ним, то есть тоже направлено влево.

Чтобы создать магнитное поле $B_B$, направленное влево, индукционный ток $I_B$ в передней части витков контура В должен быть направлен вверх. Ток $I_A$ в передней части контура А также направлен вверх. Токи в ближайших друг к другу участках контуров А и В текут в одном направлении. Проводники с сонаправленными токами притягиваются. Следовательно, между контурами А и В возникает сила притяжения.

Альтернативное объяснение через магнитные полюса: контур А имеет северный полюс (N) слева. Индуцированное поле в контуре В направлено влево, чтобы поддержать ослабевающее поле контура А. Это означает, что контур В создает свое магнитное поле так, что его южный полюс (S) обращен к северному полюсу (N) контура А. Разноименные полюса притягиваются.

Ответ: при уменьшении магнитного потока между контурами возникают силы притяжения.

61.11 [н] На основе схемы, представленной на рисунке VIII-26, попытайтесь самостоятельно сформулировать 1–2 задачи на определение направления индукционного тока в контуре B, используя известные вам способы изменения магнитного потока, не упомянутые в задачах 61.7 и 67.9.

B

A

K

R

Рис. VIII-26

Задача 1

В схеме, изображенной на рисунке, ключ К замкнут. Каково будет направление индукционного тока в контуре В, если ползунок реостата R перемещать влево, уменьшая сопротивление цепи?

Решение

1. Определим направление тока в контуре А. Согласно схеме, ток течет от положительного полюса источника (длинная черта) к отрицательному (короткая черта). В витках катушки А, если смотреть со стороны катушки В, ток будет направлен по часовой стрелке.

2. По правилу правой руки определим направление вектора магнитной индукции $\vec{B}_A$, создаваемого током в контуре А. Если обхватить катушку А ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены по току, то отставленный большой палец покажет направление поля внутри катушки. Таким образом, магнитное поле $\vec{B}_A$ направлено влево.

3. Это магнитное поле пронизывает контур В, создавая в нем магнитный поток $\Phi_B$, также направленный влево.

4. При перемещении ползунка реостата R влево, его сопротивление уменьшается. Согласно закону Ома для полной цепи $I_A = \frac{\mathcal{E}}{R_{полн}}$, где $R_{полн}$ — полное сопротивление цепи А, сила тока в контуре А возрастает.

5. Возрастание тока $I_A$ приводит к увеличению индукции создаваемого им магнитного поля $\vec{B}_A$. Следовательно, магнитный поток $\Phi_B$ через контур В, направленный влево, увеличивается ($\Delta\Phi_B > 0$).

6. Согласно правилу Ленца, возникающий в контуре В индукционный ток $I_B$ должен создавать собственное магнитное поле $\vec{B}_B$, которое препятствует изменению магнитного потока. Так как поток влево увеличивается, поле $\vec{B}_B$ должно быть направлено в противоположную сторону, то есть вправо.

7. Снова применяя правило правой руки для контура В, находим направление индукционного тока $I_B$. Чтобы поле $\vec{B}_B$ было направлено вправо, ток в контуре В (если смотреть со стороны контура А) должен течь против часовой стрелки.

Ответ: индукционный ток в контуре В будет направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны контура А.

Задача 2

В схеме, изображенной на рисунке, ключ К замкнут, а сопротивление реостата R постоянно. Каково будет направление индукционного тока в контуре В, если контур В отодвигать от контура А?

Решение

1. Как и в предыдущей задаче, ток в контуре А течет по часовой стрелке (если смотреть со стороны контура В), а создаваемое им магнитное поле $\vec{B}_A$ внутри катушек направлено влево.

2. Магнитное поле $\vec{B}_A$ пронизывает контур В, создавая в нем магнитный поток $\Phi_B$, направленный влево.

3. Когда контур В отодвигают от контура А, он попадает в область более слабого магнитного поля, так как индукция поля, создаваемого катушкой, убывает с расстоянием. Следовательно, магнитный поток $\Phi_B$ через контур В, направленный влево, уменьшается ($\Delta\Phi_B < 0$).

4. Согласно правилу Ленца, индукционный ток $I_B$ в контуре В создаст такое собственное магнитное поле $\vec{B}_B$, которое будет стремиться скомпенсировать это уменьшение. То есть поле $\vec{B}_B$ будет сонаправлено с полем $\vec{B}_A$ — направлено влево.

5. По правилу правой руки, для создания в контуре В магнитного поля, направленного влево, индукционный ток $I_B$ должен течь в том же направлении, что и ток в контуре А. То есть, если смотреть со стороны контура А, ток будет направлен по часовой стрелке.

Ответ: индукционный ток в контуре В будет направлен по часовой стрелке, если смотреть со стороны контура А.

61.12 [н] Как с помощью постоянного магнита можно вывести из состояния равновесия и заставить совершать колебания медное или алюминиевое кольцо, подвешенное на нитях (рис. VIII-27)? Ответ поясните рисунками.

Рис. VIII-27

Решение

Медное или алюминиевое кольцо является проводником, но не обладает ферромагнитными свойствами. Поэтому в состоянии покоя оно не притягивается и не отталкивается постоянным магнитом. Чтобы вывести кольцо из состояния равновесия и заставить его совершать колебания, необходимо создать переменную во времени силу. Это достигается за счет явления электромагнитной индукции.

Рассмотрим процесс взаимодействия магнита и кольца при их относительном движении.

1. Приближение магнита к кольцу. Когда мы подносим к кольцу постоянный магнит, например, северным полюсом (N), как показано на рисунке, магнитный поток $Φ$ через площадь, ограниченную кольцом, увеличивается. Согласно правилу Ленца, в замкнутом проводящем контуре (кольце) возникает индукционный ток $I_{инд}$ такого направления, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению (в данном случае, увеличению) внешнего магнитного потока. Для этого сторона кольца, обращенная к магниту, должна стать одноименным полюсом, то есть северным (N). Так как одноименные полюса отталкиваются, между магнитом и кольцом возникнет сила отталкивания, которая сместит кольцо из положения равновесия.

Рисунок 1: Магнит приближается к кольцу. Вектор магнитной индукции $\vec{B}$ внешнего поля направлен вправо и его модуль растет. Индукционный ток $I_{инд}$ создает собственное магнитное поле $\vec{B}_{инд}$, направленное влево. Возникает сила отталкивания $\vec{F}_{отт}$.

2. Удаление магнита от кольца. Когда мы начинаем удалять магнит от кольца, магнитный поток $Φ$ через него уменьшается. По тому же правилу Ленца, индукционный ток $I_{инд}$ изменит свое направление на противоположное, чтобы создать магнитное поле, поддерживающее убывающий поток. Теперь сторона кольца, обращенная к магниту, станет разноименным полюсом — южным (S). Разноименные полюса притягиваются, поэтому кольцо будет притягиваться к удаляющемуся магниту и двигаться за ним.

Рисунок 2: Магнит удаляется от кольца. Вектор магнитной индукции $\vec{B}$ внешнего поля направлен вправо, но его модуль убывает. Индукционный ток $I_{инд}$ меняет направление и создает собственное магнитное поле $\vec{B}_{инд}$, направленное вправо. Возникает сила притяжения $\vec{F}_{прит}$.

Таким образом, совершая магнитом периодические движения вперед-назад вдоль оси кольца, мы будем создавать периодически действующую силу, которая будет то отталкивать, то притягивать кольцо. Это приведет к возникновению вынужденных колебаний кольца. Если частота этих движений магнитом совпадет с собственной частотой колебаний кольца (как маятника), наступит явление резонанса, и амплитуда колебаний кольца значительно возрастет.

Ответ: Чтобы заставить медное или алюминиевое кольцо колебаться, нужно периодически приближать и удалять от него постоянный магнит вдоль оси кольца. При приближении магнита в кольце возникает индукционный ток, который, согласно правилу Ленца, создает магнитное поле, отталкивающее кольцо. При удалении магнита индукционный ток меняет направление, и созданное им магнитное поле притягивает кольцо. Чередование этих сил отталкивания и притяжения вызывает вынужденные колебания кольца.

61.13 [н] Почему время затухания колебаний медного или алюминиевого кольца, подвешенного на длинных нитях, резко сокращается, если рядом с ним поместить постоянный магнит так, как показано на рисунке VIII-27? Ответ поясните рисунками.

Рис. VIII-27

Решение

Это явление объясняется законом электромагнитной индукции Фарадея. Медное или алюминиевое кольцо является проводником. Когда оно колеблется, проходя мимо полюса магнита, оно движется в неоднородном магнитном поле. Вследствие этого магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий площадь кольца, непрерывно изменяется.

Согласно закону электромагнитной индукции, изменение магнитного потока создает в кольце индукционную электродвижущую силу (ЭДС): $ \mathcal{E}_{i} = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $. Поскольку кольцо представляет собой замкнутый проводящий контур, эта ЭДС вызывает в нем протекание индукционного тока, который также называют вихревым током или током Фуко.

Направление этого индукционного тока подчиняется правилу Ленца: он всегда направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать причине, его вызывающей, то есть изменению магнитного потока.

Для пояснения, как это приводит к торможению, рассмотрим два этапа движения кольца. Когда кольцо приближается к магниту, магнитный поток через него возрастает. Индукционный ток создает магнитное поле, которое, согласно правилу Ленца, будет отталкивать кольцо от магнита. Например, если к кольцу обращен северный полюс (N) магнита, то в кольце возникнет ток, создающий на этой же стороне также северный полюс. Одноименные полюса отталкиваются, и на кольцо действует тормозящая сила, направленная против движения.

Когда кольцо удаляется от магнита, магнитный поток через него убывает. Индукционный ток теперь изменит свое направление и создаст магнитное поле, которое будет стремиться скомпенсировать это убывание, то есть будет притягивать кольцо к магниту. Сторона кольца, обращенная к северному полюсу магнита, станет южным полюсом (S). Разноименные полюса притягиваются, и на кольцо снова действует тормозящая сила, направленная против его движения.

Таким образом, на любом участке траектории, где изменяется магнитный поток, на кольцо действует магнитная сила (сила Ампера), всегда направленная против скорости его движения. Эта сила выполняет отрицательную работу, превращая механическую энергию колебаний кольца в тепловую энергию, которая рассеивается в самом кольце (нагрев по закону Джоуля-Ленца). Из-за этой быстрой диссипации энергии колебания резко затухают.

Ответ: Время затухания колебаний кольца резко сокращается из-за явления электромагнитного торможения (демпфирования). При движении проводящего кольца в неоднородном магнитном поле в нем возникают индукционные (вихревые) токи. Согласно правилу Ленца, эти токи создают магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего на кольцо действует сила, всегда направленная против его движения. Эта тормозящая сила приводит к быстрому преобразованию механической энергии колебаний в тепловую, что и вызывает быстрое затухание.

62.1 [н] Принцип действия электродвигателя постоянного тока представлен на рисунке VIII-22. Какие небольшие изменения надо внести в эту схему, чтобы стало возможным получать переменный ток? Нарисуйте схему с внесёнными изменениями. Какая часть устройства является ротором и какая — статором? Опишите превращения энергии при работе генератора переменного тока такого типа.

Какие небольшие изменения надо внести в эту схему, чтобы стало возможным получать переменный ток? Нарисуйте схему с внесёнными изменениями.

Чтобы на основе принципа действия электродвигателя постоянного тока создать генератор переменного тока, необходимо внести следующие ключевые изменения:
1. Замена коллектора на контактные кольца. В электродвигателе постоянного тока используется коллектор (расщеплённое на две части кольцо) для изменения направления тока в рамке каждые пол-оборота. Для получения переменного тока коллектор необходимо заменить на два сплошных контактных (скользящих) кольца. Каждый конец вращающейся рамки (обмотки) подключается к своему отдельному кольцу.
2. Изменение источника и потребителя энергии. Вместо источника электрического тока, который питал двигатель, к щёткам подключается внешняя цепь с нагрузкой (например, гальванометр, лампочка). Саму же рамку необходимо приводить во вращение с помощью внешней механической силы (например, вращая рукоятку или с помощью турбины).

Ниже представлена схема простого генератора переменного тока с указанными изменениями.

Ответ: Для превращения электродвигателя постоянного тока в генератор переменного тока необходимо заменить коллектор на сплошные контактные кольца и, вместо подключения источника тока, приводить рамку во вращение внешней силой, снимая индуцированный ток с помощью подключённой к щёткам нагрузки.

Какая часть устройства является ротором и какая — статором?

В любой электрической машине, в том числе и в генераторе, принято выделять подвижную и неподвижную части.

Ротор (от лат. roto — «вращаюсь») — это вращающаяся часть устройства. В рассматриваемом генераторе ротором является рамка с обмоткой (якорь), которая приводится во вращение в магнитном поле.

Статор (от лат. stator — «стоящий») — это неподвижная часть устройства. Статором является постоянный магнит, который создаёт стационарное магнитное поле, необходимое для явления электромагнитной индукции.

Ответ: Ротор — вращающаяся рамка с обмоткой; статор — неподвижный магнит.

Опишите превращения энергии при работе генератора переменного тока такого типа.

В основе работы генератора лежит преобразование одного вида энергии в другой. Основная цепочка превращений энергии следующая:

1. Внешняя сила (например, сила потока воды на лопасти турбины) совершает механическую работу, вращая ротор генератора. Таким образом, в процесс вкладывается механическая энергия.

2. При вращении рамки в магнитном поле изменяется магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий её контур. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это изменение порождает в рамке электродвижущую силу (ЭДС индукции), которая определяется скоростью изменения потока: $ \mathcal{E}_{i} = -\frac{d\Phi}{dt} $.

3. Возникшая ЭДС создаёт в замкнутой цепи (рамка и внешняя нагрузка) переменный электрический ток. Протекание тока означает, что в цепи появилась электрическая энергия.

Следовательно, главное энергетическое превращение в генераторе — это преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию. Кроме того, существуют неизбежные потери энергии: часть механической энергии переходит в тепловую из-за трения, а часть электрической энергии переходит в тепловую из-за нагрева проводников током (согласно закону Джоуля-Ленца).

Ответ: Основное превращение энергии в генераторе переменного тока — это преобразование механической энергии во вращающейся рамке в электрическую энергию в цепи.