Конструкторское задание, страница 93 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Конструкторское задание

Придумайте конструкцию генератора электрического тока с использованием магнитного поля Земли.

Для создания генератора электрического тока, использующего магнитное поле Земли, можно применить принцип электромагнитной индукции. Суть этого явления заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. В качестве источника магнитного поля будет выступать сама наша планета.

Конструкция такого генератора может быть следующей:

1. Рамка с обмоткой (ротор). Основным элементом является катушка, состоящая из очень большого числа витков тонкой изолированной медной проволоки. Чтобы увеличить площадь, пронизываемую магнитным полем, рамка катушки должна быть достаточно большой. Для значительного усиления магнитного поля Земли внутри катушки следует разместить сердечник из ферромагнитного материала (например, мягкого железа). Этот узел (катушка на сердечнике) будет являться ротором генератора.

2. Ось и механизм вращения. Ротор должен быть закреплен на оси, чтобы иметь возможность свободно вращаться. Для приведения его во вращение можно использовать ручной привод (рукоятку), ветряное колесо (создав ветрогенератор) или водяную турбину.

3. Система токосъема. Для снятия с вращающейся катушки вырабатываемого электрического тока необходима система, состоящая из контактных колец и щеток. Концы обмотки катушки присоединяются к двум изолированным друг от друга медным кольцам, закрепленным на оси. К этим кольцам прижимаются неподвижные токосъемные щетки (например, графитовые), которые подключаются к внешней электрической цепи (потребителю). Такая схема позволит получить переменный ток.

Принцип работы:

Генератор необходимо сориентировать в пространстве для максимальной эффективности. Магнитное поле Земли направлено примерно с юга на север. Для того чтобы изменение магнитного потока было максимальным, ось вращения катушки следует расположить горизонтально и направить ее с востока на запад.

Когда катушка приводится во вращение, она пересекает силовые линии магнитного поля Земли. В результате этого магнитный поток через площадь рамки постоянно изменяется по синусоидальному закону. Согласно закону Фарадея, в катушке индуцируется переменная ЭДС, величина которой определяется по формуле:

$ \mathcal{E}(t) = -N \frac{d\Phi}{dt} = N \cdot B \cdot A \cdot \omega \cdot \sin(\omega t) $

где $\text{N}$ — число витков в катушке, $\text{B}$ — индукция магнитного поля Земли (вертикальная или горизонтальная компонента, в зависимости от ориентации), $\text{A}$ — площадь рамки, $ \omega $ — угловая скорость вращения.

Эта ЭДС создает в замкнутой цепи переменный электрический ток, который через щетки и кольца поступает к потребителю.

Следует отметить, что из-за чрезвычайно малой величины индукции магнитного поля Земли (около 50 мкТл, или $ 5 \cdot 10^{-5} $ Тл), для получения сколько-нибудь заметной ЭДС потребуется катушка с очень большим числом витков и большой площадью, вращающаяся с высокой скоростью. Поэтому такой генератор будет иметь скорее демонстрационный характер и не сможет служить мощным источником энергии.

Ответ: Предлагается конструкция генератора переменного тока, состоящая из многовитковой катушки с ферромагнитным сердечником, вращающейся в магнитном поле Земли. Ось вращения катушки должна быть расположена перпендикулярно вектору индукции магнитного поля Земли (например, горизонтально в направлении восток-запад). Вращение обеспечивается внешним механическим усилием (ручным приводом, ветряком). Генерируемый переменный ток снимается с катушки с помощью системы контактных колец и щеток. Эффективность устройства напрямую зависит от площади катушки, количества витков и скорости вращения, но из-за слабости земного магнетизма выходная мощность будет очень низкой.