Номер 21.13, страница 107 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 21. Электромагнитная индукция. Производство и передача электроэнергии - номер 21.13, страница 107.

Условие.

21.13. Опишите простейшую модель генератора переменного тока. На каком физическом явлении основано действие этого генератора?

Решение.

Решение

Опишите простейшую модель генератора переменного тока.

Простейшая модель генератора переменного тока состоит из следующих основных частей:

1. Статор – неподвижная часть, создающая постоянное магнитное поле. В простейшей модели это может быть постоянный магнит с двумя полюсами (северным и южным).

2. Ротор – вращающаяся часть, представляющая собой проволочную рамку или катушку, состоящую из множества витков проволоки. Ротор приводится во вращение внешним механическим источником энергии.

3. Токосъемный узел – устройство для отвода генерируемого тока во внешнюю цепь. Он состоит из двух контактных колец, к которым припаяны концы рамки, и двух неподвижных щеток (обычно графитовых), которые прижаты к кольцам и обеспечивают электрический контакт с внешней цепью.

Принцип действия таков: когда ротор (рамка) вращается в магнитном поле статора, магнитный поток $Φ$, пронизывающий площадь рамки, непрерывно изменяется. Магнитный поток зависит от угла $α$ между вектором магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью $\vec{n}$ к плоскости рамки: $Φ = B \cdot S \cdot \cos(α)$. При равномерном вращении с угловой скоростью $ω$, угол изменяется по закону $α = ωt$, и магнитный поток изменяется гармонически: $Φ(t) = B \cdot S \cdot \cos(ωt)$.

В соответствии с законом электромагнитной индукции, изменение магнитного потока приводит к возникновению в рамке электродвижущей силы (ЭДС) индукции, которая определяется по формуле: $ε_i = - \frac{dΦ}{dt}$. Для катушки из $\text{N}$ витков $ε_i = -N \frac{dΦ}{dt}$.

Вычисляя производную, получаем: $ε_i(t) = -N \frac{d}{dt}(B \cdot S \cdot \cos(ωt)) = N \cdot B \cdot S \cdot ω \cdot \sin(ωt)$.

Полученное выражение показывает, что ЭДС в рамке изменяется по синусоидальному закону, то есть является переменной. Максимальное значение ЭДС (амплитуда) равно $ε_{max} = N \cdot B \cdot S \cdot ω$. Если цепь замкнута, в ней возникает переменный электрический ток.

Ответ: Простейшая модель генератора переменного тока — это проводящая рамка, вращающаяся в постоянном магнитном поле. Концы рамки через систему скользящих контактов (контактные кольца и щетки) подключены к внешней цепи. Вращение рамки вызывает периодическое изменение магнитного потока через неё, что приводит к возникновению синусоидальной ЭДС и, как следствие, переменного тока в цепи.

На каком физическом явлении основано действие этого генератора?

Действие любого электрического генератора, в том числе генератора переменного тока, основано на фундаментальном физическом явлении — электромагнитной индукции.

Это явление, открытое Майклом Фарадеем в 1831 году, заключается в возникновении электрического тока (индукционного тока) в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, который пронизывает поверхность, ограниченную этим контуром.

Ответ: Действие генератора переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции.