Номер 4, страница 117, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Магнитное поле. Параграф 74. Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатели. Вопросы и задания - номер 4, страница 117.

Условие.

4. Может ли КПД электродвигателя быть больше или равным 100 %?

Решение.

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой эта ($ \eta $), является мерой эффективности преобразования или передачи энергии. Он определяется как отношение полезной работы (или мощности), совершаемой устройством, к полной затраченной работе (или мощности).

Формула для КПД имеет вид:
$ \eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \cdot 100\% $
где $A_{полезная}$ – это полезная работа, выполненная устройством (в случае электродвигателя — механическая работа), а $A_{затраченная}$ – это полная энергия, потребленная устройством (для электродвигателя — электрическая энергия).

Согласно закону сохранения энергии, энергия не может возникнуть из ниоткуда или исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. Вся энергия, затраченная на работу электродвигателя, преобразуется в полезную механическую работу и в потери энергии ($A_{потери}$), которые в основном выделяются в виде тепла.

Таким образом, энергетический баланс для электродвигателя можно записать как:
$A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{потери}$

В любом реальном физическом процессе, включая работу электродвигателя, всегда существуют неизбежные потери энергии. Они обусловлены:
1. Нагревом обмоток: При прохождении электрического тока через проводники с сопротивлением (закон Джоуля-Ленца) часть энергии преобразуется в тепло.
2. Механическим трением: Трение в подшипниках, щетках и сопротивление воздуха при вращении ротора.
3. Магнитными потерями: Потери на перемагничивание сердечника (гистерезис) и на вихревые токи.

Поскольку потери энергии всегда присутствуют ($A_{потери} > 0$), полезная работа всегда будет строго меньше, чем затраченная энергия:
$A_{полезная} < A_{затраченная}$

Исходя из этого, рассмотрим два гипотетических случая:
1. Если бы КПД был равен 100 %, это означало бы, что $A_{полезная} = A_{затраченная}$. Из уравнения энергетического баланса следовало бы, что $A_{потери} = 0$. Устройство, работающее без потерь энергии, называется вечным двигателем второго рода, создание которого невозможно согласно второму началу термодинамики.
2. Если бы КПД был больше 100 %, это означало бы, что $A_{полезная} > A_{затраченная}$. Такое устройство производило бы больше энергии, чем потребляло, что напрямую нарушало бы фундаментальный закон сохранения энергии. Такое устройство называется вечным двигателем первого рода, и его существование также невозможно.

Следовательно, КПД любого реального электродвигателя всегда строго меньше 100%.

Ответ: Нет, КПД электродвигателя не может быть больше или равным 100 %. Это противоречит фундаментальным законам физики: закону сохранения энергии и второму началу термодинамики. В любом реальном двигателе всегда существуют неизбежные потери энергии (на нагрев, трение и т.д.), из-за которых полезная работа всегда оказывается меньше затраченной энергии, а КПД, соответственно, — меньше 100 %.