Номер 3, страница 157, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные явления. Параграф 85. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 3, страница 157.

Условие.

• Электрические машины.

Решение.

Определение

Электрическая машина — это общее название для электромеханических устройств, предназначенных для преобразования энергии одного вида в другой. В основе их работы лежат явления электромагнитной индукции и взаимодействия электрических токов с магнитными полями. Основные виды преобразования энергии:

• преобразование механической энергии в электрическую (электрические генераторы);
• преобразование электрической энергии в механическую (электрические двигатели);
• преобразование электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида (трансформаторы, преобразователи частоты, выпрямители).

Ответ: Электрическая машина — это устройство для преобразования энергии: механической в электрическую (генератор), электрической в механическую (двигатель) или для изменения параметров электрической энергии (трансформатор, преобразователь).

Принцип действия

Работа всех электрических машин основана на двух фундаментальных принципах электромагнетизма и свойстве обратимости.

1. Закон электромагнитной индукции (принцип генератора): При изменении магнитного потока $ \Phi_B $, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции $ \mathcal{E} $. Величина ЭДС определяется скоростью изменения магнитного потока: $ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $. Этот принцип используется в генераторах для выработки электроэнергии.
2. Сила Ампера (принцип двигателя): На проводник длиной $\text{l}$ с током $\text{I}$, помещенный в магнитное поле с индукцией $\text{B}$, действует сила $\text{F}$ (сила Ампера), которая стремится переместить этот проводник. Величина и направление силы определяются векторным произведением: $ \vec{F} = I(\vec{l} \times \vec{B}) $. Эта сила создает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя.
3. Принцип обратимости: Любая электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Например, если ротор электродвигателя принудительно вращать, то на выводах его обмотки появится напряжение, и он станет генератором.

Ответ: Принцип действия электрических машин основан на законе электромагнитной индукции для генераторов и силе Ампера для двигателей, а также на свойстве обратимости, позволяющем одной и той же машине выполнять обе функции.

Классификация

Электрические машины можно классифицировать по нескольким признакам.

По роду тока:

• Машины постоянного тока: Работают от источника постоянного тока. Характерной особенностью является наличие коллекторно-щёточного узла для коммутации тока в обмотках ротора. Используются там, где требуется плавное регулирование скорости вращения.
• Машины переменного тока: Работают от источника переменного тока. Являются наиболее распространенными. Подразделяются на:
  • Синхронные машины: Частота вращения ротора $\text{n}$ строго равна частоте вращения магнитного поля статора $n_0$ (синхронной частоте), которая связана с частотой сети $\text{f}$ и числом пар полюсов $\text{p}$: $ n = n_0 = \frac{60 \cdot f}{p} $. В основном используются в качестве генераторов на электростанциях.
  • Асинхронные машины: Частота вращения ротора $\text{n}$ всегда меньше синхронной частоты $n_0$ ($n < n_0$). Разница между этими скоростями характеризуется скольжением $s = \frac{n_0 - n}{n_0} $. Это самые простые, надежные и дешевые электродвигатели, получившие наибольшее распространение в промышленности и быту.

По назначению:

• Двигатели: преобразуют электрическую энергию в механическую.
• Генераторы: преобразуют механическую энергию в электрическую.
• Трансформаторы: преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
• Преобразователи: изменяют род тока (AC/DC), частоту, число фаз.

Ответ: Электрические машины классифицируют по роду тока (постоянного и переменного, который делится на синхронный и асинхронный) и по назначению (двигатели, генераторы, трансформаторы, преобразователи).

Основные компоненты

Конструкция большинства вращающихся электрических машин включает следующие основные части:

• Статор: Неподвижная часть машины. Состоит из корпуса и сердечника с обмотками. В машинах переменного тока обмотки статора создают вращающееся магнитное поле.
• Ротор (или якорь): Вращающаяся часть машины, расположенная внутри статора. Также состоит из сердечника с обмотками.
• Магнитопровод (сердечник): Часть статора и ротора, выполненная из листов электротехнической стали для концентрации и проведения магнитного потока.
• Обмотки: Изолированные проводники, уложенные в пазы сердечников. Различают обмотку возбуждения (создает основное магнитное поле) и обмотку якоря (в которой наводится ЭДС или протекает рабочий ток).
• Воздушный зазор: Небольшой зазор между статором и ротором, необходимый для обеспечения свободного вращения.
• Коллекторно-щёточный узел: Применяется в машинах постоянного тока. Коллектор — это набор медных пластин, изолированных друг от друга, который вращается вместе с ротором. Щетки (обычно графитовые) неподвижны и скользят по коллектору, обеспечивая электрическое соединение цепи ротора с внешней цепью.

Ответ: Основными компонентами электрической машины являются неподвижный статор и вращающийся ротор, каждый из которых имеет магнитопровод и обмотки для создания и взаимодействия с магнитными полями.