Номер 833, страница 132 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитные явления. Способы получения и передачи электроэнергии. Трансформатор - номер 833, страница 132.

Условие.

833. Простейшая схема трансформатора, применяемого для дуговой электросварки, приведена на рисунке 201. Укажите, какой это трансформатор — повышающий или понижающий. Почему его вторичная обмотка изготовлена из проволоки с большей площадью поперечного сечения? Куда следует передвинуть ручку переключателя П, чтобы повысить (или понизить) напряжение во вторичной обмотке?

Угольные электроды для дуговой электросварки

Рис. 201

Решение.

Укажите, какой это трансформатор — повышающий или понижающий.

Трансформатор, показанный на рисунке, является понижающим. Это можно определить по нескольким признакам:

1. По соотношению витков: Первичная обмотка, к которой подводится напряжение 220 В, имеет большое число витков $N_1$. Вторичная обмотка, к которой подключаются сварочные электроды, имеет малое число витков $N_2$. Для трансформатора справедливо соотношение напряжений и числа витков:

$\frac{U_2}{U_1} \approx \frac{N_2}{N_1}$

Поскольку число витков во вторичной обмотке $N_2$ значительно меньше числа витков в первичной $N_1$, напряжение на вторичной обмотке $U_2$ будет значительно ниже, чем на первичной $U_1$.

2. По назначению: Устройство предназначено для дуговой электросварки. Этот процесс требует очень большой силы тока (десятки и сотни ампер) при сравнительно низком напряжении (обычно 20-80 В). Понижающий трансформатор как раз и преобразует высокое напряжение с малым током в низкое напряжение с большим током.

Ответ: Трансформатор является понижающим.

Почему его вторичная обмотка изготовлена из проволоки с большей площадью поперечного сечения?

В понижающем трансформаторе напряжение уменьшается, а сила тока, в соответствии с законом сохранения энергии (в идеальном трансформаторе мощность на входе равна мощности на выходе $P_1 = P_2$), увеличивается:

$U_1 I_1 = U_2 I_2$

Поскольку $U_2 < U_1$, то сила тока во вторичной обмотке $I_2$ будет больше силы тока в первичной $I_1$. Для сварки необходимы токи большой величины.

Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему тока, определяется законом Джоуля-Ленца:

$Q = I^2 R t$

где $\text{I}$ — сила тока, $\text{R}$ — сопротивление проводника, $\text{t}$ — время. Чтобы избежать перегрева и расплавления обмотки при протекании большого тока $I_2$, ее сопротивление $\text{R}$ должно быть как можно меньше.

Сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

$R = \rho \frac{L}{S}$

где $\rho$ — удельное сопротивление материала, $\text{L}$ — длина проводника, $\text{S}$ — площадь поперечного сечения. Чтобы уменьшить сопротивление $\text{R}$, необходимо увеличить площадь поперечного сечения $\text{S}$. Поэтому вторичную обмотку сварочного трансформатора изготавливают из толстой проволоки.

Ответ: Вторичная обмотка изготовлена из проволоки с большей площадью поперечного сечения, чтобы выдерживать большую силу тока, необходимую для сварки, и для уменьшения сопротивления, что предотвращает ее перегрев.

Куда следует передвинуть ручку переключателя П, чтобы повысить (или понизить) напряжение во вторичной обмотке?

Напряжение на вторичной обмотке $U_2$ определяется по формуле $U_2 \approx U_1 \frac{N_2}{N_1}$. В данной схеме входное напряжение $U_1$ (220 В) и число витков вторичной обмотки $N_2$ постоянны. Следовательно, выходное напряжение $U_2$ обратно пропорционально числу витков первичной обмотки $N_1$, подключенных к сети:

$U_2 \propto \frac{1}{N_1}$

Переключатель П позволяет изменять число задействованных витков $N_1$ в первичной обмотке. При перемещении ползунка в сторону точки А в цепь включается большее число витков, то есть $N_1$ увеличивается. При перемещении в сторону точки В число витков $N_1$ уменьшается.

• Чтобы повысить напряжение $U_2$, необходимо уменьшить знаменатель в формуле, то есть уменьшить число витков $N_1$. Для этого ручку переключателя П следует передвинуть в сторону точки В.

• Чтобы понизить напряжение $U_2$, необходимо увеличить число витков $N_1$. Для этого ручку переключателя П следует передвинуть в сторону точки А.

Ответ: Чтобы повысить напряжение во вторичной обмотке, ручку переключателя следует передвинуть в сторону точки B. Чтобы понизить напряжение, ручку следует передвинуть в сторону точки A.