Номер №10, страница 294 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Лабораторные работы - номер №10, страница 294.

Условие.

Лабораторная работа 10

ИЗУЧЕНИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Цель работы: изучить устройство и действие модели электродвигателя.

Оборудование: источник питания, модель электродвигателя, соединительные провода, нить, груз.

Указания к выполнению работы

1. Соберите электродвигатель. Найдите в нём якорь, а также магнит, создающий магнитное поле (индуктор). Рассмотрите скользящие контакты (кольца и щётки), с помощью которых электродвигатель подключается к источнику тока.

2. Подключив электродвигатель к источнику тока, приведите якорь двигателя во вращение. Определите, под действием каких сил он начинает вращаться.

3. Привяжите к валу электродвигателя на нити небольшой груз, включите электродвигатель, наблюдайте подъём груза с помощью электродвигателя.

4. Сделайте вывод, ответив на вопросы:

1) Как устроен электродвигатель?

2) На каком физическом явлении основана работа электродвигателя?

3) Груз какой массы вам удалось поднять с помощью модели электродвигателя?

Решение.

1) Как устроен электродвигатель?

Электродвигатель постоянного тока, модель которого изучается в данной работе, состоит из нескольких ключевых частей:

1. Статор (индуктор) – это неподвижная часть двигателя, которая создаёт постоянное магнитное поле. В простейшей модели это может быть один или два постоянных магнита. В более мощных двигателях используются электромагниты.

2. Ротор (якорь) – это вращающаяся часть двигателя. Он представляет собой катушку с обмоткой из изолированного провода, намотанную на сердечник из мягкого железа для усиления магнитного поля. Когда по обмотке якоря пропускают электрический ток, якорь сам становится электромагнитом.

3. Щёточно-коллекторный узел – это механизм, обеспечивающий подвод электрического тока к вращающемуся якорю и, что самое важное, изменяющий направление тока в обмотке якоря в нужный момент. Он состоит из:

• Коллектора – набора медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга. В простейшем двигателе с одной катушкой коллектор представляет собой два полукольца. Каждый конец обмотки якоря присоединён к своей пластине коллектора.

• Щёток – неподвижных контактов (часто из графита), которые прижимаются к пластинам вращающегося коллектора и передают на них напряжение от источника питания.

Таким образом, ток от источника через щётки и коллектор поступает в обмотку якоря, который находится в магнитном поле статора. Взаимодействие магнитных полей статора и якоря заставляет якорь вращаться.

Ответ: Электродвигатель состоит из неподвижного статора (магнита), создающего магнитное поле, вращающегося ротора (якоря с обмоткой), который становится электромагнитом при прохождении тока, и щёточно-коллекторного узла, который подводит ток к ротору и меняет его направление для обеспечения непрерывного вращения.

2) На каком физическом явлении основана работа электродвигателя?

Работа электродвигателя основана на явлении электромагнитной индукции, а именно на действии магнитного поля на проводник с током. Это действие описывается силой Ампера.

Суть явления заключается в следующем: если поместить проводник, по которому течёт электрический ток, в магнитное поле, то на этот проводник начнёт действовать сила. Направление этой силы определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера.

В электродвигателе обмотка якоря (ротора) представляет собой рамку с током, помещённую в магнитное поле статора. На две противоположные стороны рамки, по которым ток течёт в противоположных направлениях, действуют две силы Ампера. Эти силы также направлены в противоположные стороны и создают вращающий момент, который заставляет якорь поворачиваться.

Чтобы вращение было непрерывным, щёточно-коллекторный узел в момент прохождения рамкой положения равновесия меняет направление тока в ней на противоположное. Это приводит к изменению направления сил Ампера, и вращающий момент продолжает действовать в ту же сторону, поддерживая вращение якоря.

Величина силы Ампера рассчитывается по формуле:

$F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$

где $\text{I}$ – сила тока в проводнике, $\text{B}$ – индукция магнитного поля, $\text{l}$ – длина активной части проводника, $\alpha$ – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Ответ: Работа электродвигателя основана на действии силы Ампера – силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током, что приводит к созданию вращающего момента.

3) Груз какой массы вам удалось поднять с помощью модели электродвигателя?

Масса груза, который можно поднять, зависит от мощности конкретной модели электродвигателя, напряжения источника питания и КПД установки. Поскольку реальный эксперимент не проводился, приведём пример расчёта для гипотетической модели.

Дано:

Напряжение источника питания: $U = 4.5 \text{ В}$

Сила тока, потребляемая двигателем под нагрузкой: $I = 0.5 \text{ А}$

Коэффициент полезного действия (КПД) модели двигателя: $\eta = 15\% $

Высота подъёма груза: $h = 0.2 \text{ м}$

Время подъёма груза: $t = 10 \text{ с}$

Ускорение свободного падения: $g \approx 9.8 \text{ м/с}^2$

$ \eta = 15\% = 0.15 $

Найти:

$m - ?$

Решение:

1. Найдём электрическую мощность, потребляемую двигателем от источника тока:

$P_{электр} = U \cdot I = 4.5 \text{ В} \cdot 0.5 \text{ А} = 2.25 \text{ Вт}$

2. Полезная механическая мощность, которую развивает двигатель, составляет лишь часть от потребляемой электрической мощности, что определяется КПД:

$P_{полезн} = P_{электр} \cdot \eta = 2.25 \text{ Вт} \cdot 0.15 = 0.3375 \text{ Вт}$

3. Полезная работа, совершённая двигателем за время $\text{t}$, равна:

$A_{полезн} = P_{полезн} \cdot t = 0.3375 \text{ Вт} \cdot 10 \text{ с} = 3.375 \text{ Дж}$

4. Эта полезная работа идёт на увеличение потенциальной энергии груза при его подъёме на высоту $\text{h}$:

$A_{полезн} = E_p = m \cdot g \cdot h$

5. Приравняем два выражения для полезной работы и выразим массу $\text{m}$:

$m \cdot g \cdot h = A_{полезн}$

$m = \frac{A_{полезн}}{g \cdot h}$

6. Подставим числовые значения и рассчитаем массу:

$m = \frac{3.375 \text{ Дж}}{9.8 \text{ м/с}^2 \cdot 0.2 \text{ м}} = \frac{3.375}{1.96} \approx 1.72 \text{ кг}$

Данный результат является очень оптимистичным для школьной модели. КПД реальных лабораторных моделей значительно ниже (около 5-10%), поэтому и масса поднимаемого груза будет существенно меньше. Например, при КПД 5% ($ \eta = 0.05 $) масса составила бы:

$m = \frac{2.25 \cdot 0.05 \cdot 10}{9.8 \cdot 0.2} \approx \frac{1.125}{1.96} \approx 0.574 \text{ кг} \approx 574 \text{ г} $

Этот результат более реалистичен для лабораторной установки.

Ответ: В ходе расчёта для гипотетической модели с КПД 5% удалось бы поднять груз массой около 574 г. Реальное значение зависит от параметров конкретной установки.