Экспериментальное задание 24.3, страница 105 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Домашнее экспериментальное задание 24.3

Работаем самостоятельно

Изучение машины постоянного тока

Оборудование: машина постоянного тока из комплекта «Лего», электрическая лам-па, рассчитанная на 1 В, соединительные провода, источник постоянного тока.

Изучите внутреннее устройство машины постоянного тока из комплекта «Лего». Объясните принцип его действия при использовании как электродвигателя и как электрогенератора.

Порядок выполнения задания

1. Если у вас есть комплект деталей «Лего» для конструирования с электродвигателем (рис. 24.7), рассмотрите устройство механизма передачи вращательного движения от оси двигателя к колёсам модели. Объясните назначение де-талей передающего устройства.

2. Если вы не боитесь испортить свою игрушку, аккуратно вскройте корпус электродвигателя и рассмотрите его внутреннее устройство. Если вы боитесь её испортить, изучите внутреннее устройство двигателя по фотографии на рисунке 24.8. На фотографии можно увидеть, что напряжение подаётся на две щётки на крышке слева. Между полюсами магнита находятся три катушки на общем железном сердечнике. Выводы от каждой из обмоток присоединены к двум из трёх металлических пластин, изолированных друг от друга и расположенных вокруг оси якоря. При этом начало одной обмотки оказывается соединённым с концом соседней обмотки. В контакте с щётками в любой момент времени находятся две обмотки из трёх (рис. 24.9). Объясните принцип действия такого электродвигателя.

Рис. 24.7

Рис. 24.8

Рис. 24.9

3. Выскажите гипотезу, может ли электродвигатель рассмотренного типа работать как электрогенератор постоянного тока. Проверьте свою гипотезу экспериментально. Для этого подключите к выводам машины постоянного тока электрическую лампу или вольтметр и приведите якорь машины во вращение.

Расскажите о результатах своих исследований в классе с демонстрацией опытов и объяснением принципа действия машины постоянного тока.

1. Механизм передачи вращательного движения от оси двигателя к колёсам модели (рис. 24.7) представляет собой редуктор, состоящий, как правило, из набора шестерён. На оси электродвигателя установлена маленькая ведущая шестерня, которая находится в зацеплении с большой ведомой шестернёй, жёстко связанной с осью колёс модели.

Назначение деталей передающего устройства:

- Электродвигатель: источник вращательного движения.

- Ведущая шестерня (маленькая): передаёт вращение от вала двигателя.

- Ведомая шестерня (большая): принимает вращение и передаёт его на колёса.

- Оси: служат для крепления колёс и шестерён.

Основное назначение такого механизма (редуктора) — уменьшение скорости вращения и одновременное увеличение вращающего момента на колёсах. Электродвигатели, как правило, являются высокоскоростными, но с низким моментом. Чтобы модель могла сдвинуться с места и преодолевать сопротивление, необходимо увеличить крутящий момент, пожертвовав скоростью, что и делает редуктор.

Ответ: Назначение передающего устройства (редуктора) состоит в передаче вращения от двигателя к колёсам с уменьшением его скорости и увеличением крутящего момента, что позволяет модели эффективно двигаться.

2. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основан на явлении действия силы Ампера на проводник с током в магнитном поле.

1. При подключении источника тока напряжение через контакты на корпусе подаётся на две неподвижные щётки.

2. Щётки прижаты к коллектору — набору из трёх медных пластин, закреплённых на валу якоря. Каждая пластина электрически изолирована от других.

3. От пластин коллектора ток поступает в обмотки якоря (ротора), которые представляют собой катушки из проволоки, намотанные на железный сердечник. В любой момент времени ток протекает через две из трёх обмоток.

4. Якорь с обмотками находится в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами, закреплёнными в корпусе двигателя (статоре).

5. На витки обмоток, по которым течёт ток, со стороны магнитного поля действует сила Ампера ($F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\alpha$), где $\text{I}$ — сила тока, $\text{B}$ — индукция магнитного поля, $\text{l}$ — длина проводника, $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Эти силы создают вращающий момент, который заставляет якорь вращаться.

6. При повороте якоря коллекторные пластины также поворачиваются и меняют контакт со щётками. Это приводит к переключению тока в обмотках таким образом, чтобы направление вращающего момента оставалось неизменным. Благодаря этому якорь продолжает вращаться непрерывно в одном направлении.

Ответ: Принцип действия электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую: на обмотки якоря, по которым протекает ток, в магнитном поле статора действует сила Ампера, создавая вращающий момент. Коллектор обеспечивает непрерывное вращение якоря в одном направлении за счёт своевременного переключения тока в обмотках.

3. Гипотеза: Да, электродвигатель постоянного тока является обратимой машиной и может работать как электрогенератор постоянного тока.

Экспериментальная проверка: Для проверки гипотезы необходимо к выводам машины постоянного тока подключить чувствительный вольтметр или светодиодную лампочку, рассчитанную на низкое напряжение. Затем следует привести якорь машины во вращение с помощью внешней силы (например, вращая его вал пальцами или с помощью другой механической передачи).

Ожидаемые результаты и их объяснение: В ходе эксперимента вольтметр зафиксирует появление напряжения (ЭДС), а лампочка начнёт светиться (возможно, тускло и прерывисто, в зависимости от скорости вращения). Это подтверждает гипотезу.

Принцип действия машины в режиме генератора: Работа генератора основана на явлении электромагнитной индукции.

1. Когда мы принудительно вращаем якорь, его обмотки пересекают силовые линии магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами (статором).

2. При изменении магнитного потока, пронизывающего витки обмоток, в них, согласно закону Фарадея, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС): $\mathcal{E} = -N \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$.

3. Так как обмотки вращаются, индуцируемый в них ток является переменным.

4. Коллектор, вращающийся вместе с якорем, в данном режиме выполняет функцию механического выпрямителя. Он переключает контакты со щётками в тот момент, когда ЭДС в обмотке меняет знак. В результате во внешней цепи (подключённой к щёткам) протекает ток одного направления — пульсирующий постоянный ток.

Таким образом, происходит преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию.

Ответ: Электродвигатель постоянного тока может работать как генератор. Принцип его действия в этом режиме основан на явлении электромагнитной индукции: при вращении якоря в магнитном поле в его обмотках наводится ЭДС, а коллектор преобразует возникающий переменный ток в пульсирующий постоянный ток во внешней цепи.