Вопросы, страница 123 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Как переменный ток проходит через конденсатор?

2. Зависит ли амплитуда колебаний силы тока, проходящего через конденсатор, от частоты приложенного переменного напряжения?

3. Как изменяется амплитуда колебаний силы тока, проходящего через катушку, при увеличении частоты колебаний приложенного переменного напряжения?

4. Чем объясняется такая зависимость?

5. Что такое электрический резонанс?

6. Чем объясняется явление электрического резонанса?

7. Где применяется явление электрического резонанса?

1. Как переменный ток проходит через конденсатор?

Переменный ток не проходит через конденсатор в смысле прямого движения заряженных частиц сквозь диэлектрик между его обкладками. Диэлектрик является изолятором. Однако в цепи переменного тока происходит непрерывный процесс перезарядки конденсатора. Когда напряжение на обкладках растет, конденсатор заряжается, и в цепи течет ток заряда. Когда напряжение уменьшается и меняет знак, конденсатор разряжается и заряжается в обратной полярности, что снова создает ток в цепи, но уже в противоположном направлении. Этот циклический процесс зарядки и разрядки создает в проводниках, подключенных к конденсатору, переменный ток, хотя сквозного прохождения заряда через сам конденсатор не происходит. Для внешней цепи это выглядит так, как будто переменный ток "протекает" через конденсатор.

Ответ: Переменный ток "проходит" через конденсатор за счет его непрерывной циклической перезарядки, создающей колебания тока в цепи без фактического прохождения зарядов через диэлектрик.

2. Зависит ли амплитуда колебаний силы тока, проходящего через конденсатор, от частоты приложенного переменного напряжения?

Да, зависит, и эта зависимость прямая. Сопротивление, которое конденсатор оказывает переменному току, называется емкостным сопротивлением ($X_C$) и обратно пропорционально частоте ($\text{f}$) и емкости ($\text{C}$). Оно рассчитывается по формуле: $X_C = \frac{1}{2\pi f C}$.

Согласно закону Ома для участка цепи переменного тока, амплитуда силы тока ($I_m$) равна отношению амплитуды напряжения ($U_m$) к сопротивлению:

$I_m = \frac{U_m}{X_C} = U_m \cdot 2\pi f C$.

Из этой формулы видно, что при увеличении частоты ($\text{f}$) приложенного напряжения емкостное сопротивление ($X_C$) уменьшается, а следовательно, амплитуда силы тока ($I_m$) увеличивается.

Ответ: Да, амплитуда силы тока прямо пропорциональна частоте приложенного переменного напряжения.

3. Как изменяется амплитуда колебаний силы тока, проходящего через катушку, при увеличении частоты колебаний приложенного переменного напряжения?

При увеличении частоты переменного напряжения амплитуда силы тока, проходящего через катушку индуктивности, уменьшается. Это связано с тем, что сопротивление катушки переменному току, называемое индуктивным сопротивлением ($X_L$), прямо пропорционально частоте ($\text{f}$) и индуктивности ($\text{L}$). Формула для индуктивного сопротивления: $X_L = 2\pi f L$. Амплитуда силы тока ($I_m$) определяется по закону Ома: $I_m = \frac{U_m}{X_L} = \frac{U_m}{2\pi f L}$. Как видно из формулы, с ростом частоты ($\text{f}$) индуктивное сопротивление ($X_L$) растет, что приводит к уменьшению амплитуды силы тока ($I_m$) при неизменной амплитуде напряжения.

Ответ: Амплитуда колебаний силы тока уменьшается, так как она обратно пропорциональна частоте.

4. Чем объясняется такая зависимость?

Эта зависимость (уменьшение тока в катушке с ростом частоты) объясняется явлением электромагнитной самоиндукции. Переменный ток, протекающий через катушку, создает переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, это переменное магнитное поле порождает в самой катушке ЭДС самоиндукции, которая, по правилу Ленца, всегда противодействует изменению тока, вызвавшего ее. Скорость изменения тока ($di/dt$) тем больше, чем выше частота колебаний. Следовательно, чем выше частота, тем больше ЭДС самоиндукции, которая препятствует прохождению тока. Это увеличение противодействия и есть рост индуктивного сопротивления ($X_L$) с частотой, что и приводит к уменьшению силы тока.

Ответ: Зависимость объясняется явлением самоиндукции: с ростом частоты увеличивается скорость изменения магнитного потока, что приводит к возникновению большей противодействующей ЭДС и, как следствие, к увеличению индуктивного сопротивления катушки.

5. Что такое электрический резонанс?

Электрический резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в электрической цепи, содержащей катушку индуктивности ($\text{L}$) и конденсатор ($\text{C}$), при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура. Резонанс наступает, когда индуктивное сопротивление ($X_L$) становится равным емкостному сопротивлению ($X_C$). В этот момент общее реактивное сопротивление цепи становится равным нулю, а полное сопротивление цепи (импеданс) достигает своего минимума и равно только активному (омическому) сопротивлению ($Z = R$).

Ответ: Электрический резонанс — это явление резкого увеличения амплитуды тока в RLC-цепи, когда частота внешнего напряжения такова, что индуктивное и емкостное сопротивления равны и компенсируют друг друга.

6. Чем объясняется явление электрического резонанса?

Явление резонанса объясняется фазовыми сдвигами между напряжением и током, которые вносят катушка и конденсатор. В катушке колебания тока отстают по фазе от колебаний напряжения на $\pi/2$ (90°), а в конденсаторе — опережают на $\pi/2$. Таким образом, их действия на фазу противоположны. При резонансной частоте эти фазовые сдвиги полностью компенсируют друг друга. С точки зрения энергии, в цепи происходит периодический обмен энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. При резонансе этот обмен происходит наиболее эффективно, и внешнему источнику напряжения нужно лишь восполнять потери энергии на активном сопротивлении. Поскольку общее реактивное сопротивление равно нулю, ток в цепи ограничивается только малым активным сопротивлением и достигает максимального значения.

Ответ: Явление резонанса объясняется взаимной компенсацией сдвигов фаз тока относительно напряжения, создаваемых катушкой и конденсатором, что приводит к минимальному полному сопротивлению цепи на резонансной частоте.

7. Где применяется явление электрического резонанса?

Явление электрического резонанса имеет широкое применение, особенно в радиотехнике и связи. Основное его применение — настройка радиоприемников и передатчиков. Входной колебательный контур радиоприемника настраивают в резонанс с частотой несущей волны нужной радиостанции. Благодаря резонансу сигнал этой станции резко усиливается, а сигналы других станций, имеющих иные частоты, ослабляются. Это позволяет выделить из множества сигналов в эфире один, нужный. Также резонанс используется в различных фильтрах для выделения или подавления определенных частот (например, в эквалайзерах), в генераторах электрических колебаний (осцилляторах) для стабилизации частоты, в системах беспроводной передачи энергии и в установках индукционного нагрева.

Ответ: Главным образом, в радиотехнике для настройки приемников и передатчиков на нужную частоту, а также в частотных фильтрах, генераторах колебаний и системах беспроводной передачи энергии.