Страница 189 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какой опыт позволяет показать, что магнитное поле действует на находящийся в нём проводник с током?2. Каким образом в опыте

1. Чтобы продемонстрировать действие магнитного поля на проводник с током, можно провести следующий классический опыт. Установка состоит из прямого проводника (например, медного стержня), который свободно подвешен на гибких проводах между полюсами сильного подковообразного магнита. Эти провода подключают проводник к источнику питания через ключ (выключатель).

Когда цепь разомкнута, ток по проводнику не течет, и он находится в покое. Как только ключ замыкают, по проводнику начинает протекать электрический ток. В этот момент наблюдается, что проводник приходит в движение — он либо втягивается в пространство между полюсами магнита, либо выталкивается из него. Это движение является прямым следствием действия силы со стороны магнитного поля на помещенный в него проводник с током. Эта сила называется силой Ампера.

Ответ: Опыт, в котором прямолинейный проводник, подключенный к источнику тока, помещается в магнитное поле (например, между полюсами подковообразного магнита) и приходит в движение при пропускании через него тока, позволяет показать, что магнитное поле действует на проводник с током.

2. Доказательство в этом опыте строится на установлении причинно-следственной связи. Движение проводника (следствие) наблюдается только при одновременном выполнении двух условий (причин):

1. Наличие электрического тока в проводнике.

2. Наличие внешнего магнитного поля.

Если выключить ток (разомкнуть цепь) или убрать магнит, то сила, действующая на проводник, исчезает, и он останавливается. Это убедительно показывает, что движение вызвано именно взаимодействием тока с магнитным полем.

Дополнительным подтверждением служат следующие наблюдения:

• При изменении направления тока в проводнике на противоположное, направление силы Ампера также меняется, и проводник начинает двигаться в обратную сторону.
• При изменении направления магнитного поля (например, если перевернуть магнит и поменять местами его полюса), направление силы также меняется на противоположное.

Эти наблюдения полностью согласуются с правилом левой руки и формулой для силы Ампера: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\alpha$, где $I$ – сила тока, $B$ – индукция магнитного поля, $l$ – длина проводника в поле, а $\alpha$ – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Ответ: В опыте доказательством служит тот факт, что проводник приходит в движение только при одновременном наличии в нем электрического тока и его нахождении в магнитном поле; при устранении одного из этих факторов движение прекращается.

2. Каким образом в опыте (см. рис. 123) можно изменить направление движения проводника с током в магнитном поле?

2. Направление движения проводника с током в магнитном поле определяется направлением силы Ампера, которая на него действует. Согласно правилу левой руки, направление этой силы зависит от двух векторов: направления тока в проводнике и направления вектора магнитной индукции (направления магнитного поля).

Следовательно, чтобы изменить направление движения проводника на противоположное, необходимо изменить на противоположное направление одного из этих векторов. В опыте это можно сделать двумя способами:

1. Изменить направление тока в проводнике. Это достигается изменением полярности подключения источника тока (поменять местами провода на клеммах источника).

2. Изменить направление магнитного поля. Если используется подковообразный магнит, его нужно перевернуть, поменяв таким образом расположение северного и южного полюсов относительно проводника.

Важно отметить, что если изменить направление и тока, и магнитного поля одновременно, то направление силы Ампера, а значит и направление движения проводника, останется прежним.

Ответ: Чтобы изменить направление движения проводника, необходимо изменить направление тока в нём или изменить направление магнитного поля.

3. Движение проводника с током в магнитном поле основано на физическом явлении действия силы на помещенный в магнитное поле проводник, по которому протекает электрический ток. Эта сила называется силой Ампера.

Её возникновение объясняется тем, что магнитное поле действует с силой (силой Лоренца) на каждый отдельный движущийся упорядоченно заряженный носитель тока (например, электрон) внутри проводника. Сумма всех этих микроскопических сил, действующих на заряды, складывается в одну макроскопическую силу Ампера, которая и вызывает движение всего проводника.

Величина силы Ампера определяется по формуле: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\alpha$, где $I$ — сила тока в проводнике, $B$ — модуль вектора магнитной индукции поля, $l$ — длина активной части проводника (находящейся в поле), а $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Это явление является фундаментальным принципом, на котором основана работа большинства электродвигателей, гальванометров и других электромеханических устройств.

Ответ: Движение проводника с током в магнитном поле основано на явлении действия на него силы Ампера.

3. На каком физическом явлении основана работа электродвигателя?

3. Работа электродвигателя основана на явлении действия магнитного поля на проводник с током. Это явление заключается в том, что на проводник, по которому течет электрический ток и который находится в магнитном поле, действует сила, называемая силой Ампера.

Основной принцип работы заключается в следующем: в магнитное поле, создаваемое статором (неподвижной частью двигателя), помещается рамка с током — ротор (вращающаяся часть). На провода рамки, по которым течет ток, действует сила Ампера. Направление этой силы определяется по правилу левой руки. На две противоположные стороны рамки силы Ампера действуют в противоположных направлениях. Эта пара сил создает вращающий момент, который заставляет рамку вращаться вокруг своей оси.

Величина силы Ампера ($F_A$) рассчитывается по формуле: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$, где $I$ — сила тока в проводнике, $B$ — индукция магнитного поля, $l$ — длина проводника в поле, а $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Чтобы вращение было непрерывным, в электродвигателях постоянного тока используется специальное устройство — коллектор со щетками. Коллектор обеспечивает изменение направления тока в рамке каждые пол-оборота, благодаря чему вращающий момент постоянно поддерживает вращение ротора в одном и том же направлении. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения.

Ответ: Работа электродвигателя основана на явлении возникновения силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле, что создает вращающий момент и заставляет ротор двигателя вращаться.

4. Используя рисунок 124, опишите принцип действия электродвигателя.

3. Работа электродвигателя основана на явлении возникновения силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Эта сила называется силой Ампера ($F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\alpha$), и она создает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя. Таким образом, происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения.

Ответ: Работа электродвигателя основана на явлении действия магнитного поля на проводник с током (силе Ампера).

4. Принцип действия электродвигателя заключается в следующем. Основными частями простого электродвигателя постоянного тока являются статор (неподвижная часть, создающая магнитное поле, обычно постоянный магнит или электромагнит) и ротор или якорь (вращающаяся часть, состоящая из одной или нескольких рамок-обмоток). Ток от источника питания подается на обмотку ротора через неподвижные контакты — щетки — и вращающийся вместе с ротором коллектор. Коллектор представляет собой разделенные на части металлические кольца, к которым присоединены концы обмотки. Когда по обмотке ротора, находящейся в магнитном поле статора, начинает течь ток, на ее стороны действуют силы Ампера. Согласно правилу левой руки, эти силы направлены в противоположные стороны и создают вращающий момент, заставляющий ротор поворачиваться. После того как ротор совершит полоборота, коллекторные пластины меняются местами под щетками. Это приводит к изменению направления тока в обмотке на противоположное. В результате направление сил Ампера также изменяется таким образом, что они продолжают вращать ротор в том же направлении. Этот процесс повторяется непрерывно, обеспечивая постоянное вращение ротора.

Ответ: Принцип действия электродвигателя основан на вращении рамки с током в магнитном поле под действием силы Ампера; непрерывность вращения в одном направлении обеспечивается коллектором, который изменяет направление тока в рамке каждый полоборот.

5. Электродвигатели чрезвычайно широко распространены и используются во множестве устройств и механизмов. Примеры использования: в бытовой технике (стиральные машины, пылесосы, холодильники, фены, миксеры, вентиляторы); в транспорте (электромобили, трамваи, троллейбусы, поезда метро, электропоезда, электросамокаты); в промышленности (электроприводы станков, конвейеров, насосов, подъемных кранов); в электроинструментах (дрели, шлифовальные машины, пилы); в компьютерной технике (вентиляторы охлаждения, приводы жестких дисков и оптических дисков); в детских игрушках (радиоуправляемые машинки, квадрокоптеры).

Ответ: Примеры использования электродвигателей: стиральная машина, пылесос, трамвай, электромобиль, станок на заводе, электродрель, компьютерный вентилятор.

5. Приведите примеры использования электрических двигателей. Каковы их преимущества по сравнению с тепловыми?

5. Приведите примеры использования электрических двигателей. Каковы их преимущества по сравнению с тепловыми?

Электрические двигатели — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую энергию вращения. Благодаря своей эффективности и универсальности они используются практически во всех сферах жизни.

Примеры использования электрических двигателей:

• В быту: стиральные машины, пылесосы, холодильники (компрессоры), миксеры, блендеры, фены, вентиляторы, электроинструменты (дрели, шуруповерты).
• В промышленности: приводы станков, конвейерных лент, насосов для перекачки жидкостей, компрессоров, промышленных вентиляторов, подъемных кранов и лебедок.
• На транспорте: электромобили, электропоезда, трамваи, троллейбусы, электросамокаты, гироскутеры, электровелосипеды. Также они используются во вспомогательных системах обычных автомобилей (стартеры, стеклоподъемники, вентиляторы системы охлаждения).
• В компьютерной технике: вентиляторы для охлаждения процессора и блока питания, двигатели для вращения жестких дисков (HDD) и оптических дисков (CD/DVD/Blu-ray).

Преимущества электрических двигателей по сравнению с тепловыми (например, двигателями внутреннего сгорания):

1. Высокий коэффициент полезного действия (КПД): КПД электродвигателей достигает 90-98%, в то время как КПД большинства тепловых двигателей составляет 25-45%. Это означает, что электродвигатели гораздо эффективнее преобразуют энергию в полезную работу.
2. Экологичность: Электродвигатели не производят вредных выбросов в месте их работы, что особенно важно для улучшения качества воздуха в городах.
3. Компактность и меньшая масса: При одинаковой мощности электродвигатель значительно меньше и легче теплового двигателя.
4. Надежность и долговечность: В конструкции электродвигателя меньше движущихся частей, чем в тепловом, что делает его более надежным, долговечным и требующим меньшего технического обслуживания.
5. Низкий уровень шума и вибрации: Электродвигатели работают намного тише и плавнее, создавая меньше вибраций.
6. Простота управления: Скорость и крутящий момент электродвигателя легко и точно регулируются в широком диапазоне.
7. Работа в любых условиях: Электродвигатели могут работать в любом пространственном положении и легко запускаются при низких температурах.

Ответ: Электродвигатели применяются в бытовой технике (пылесос, миксер), промышленности (станки), на транспорте (электромобиль, трамвай). Их основные преимущества перед тепловыми двигателями: высокий КПД (более 90%), экологическая чистота (нет выхлопов), компактность, надежность, низкий уровень шума и простота в управлении.

6. Кто и когда изобрёл первый электродвигатель?

Изобретение электродвигателя было постепенным процессом, в который внесли вклад несколько ученых. Однако ключевой фигурой в создании первого практически полезного устройства считается Борис Семёнович Якоби.

• Первым сам принцип непрерывного вращения под действием электромагнитных сил продемонстрировал в 1821 году английский физик Майкл Фарадей. Его устройство было скорее лабораторной демонстрацией, а не практическим двигателем.
• Первый в мире электродвигатель, пригодный для практического применения, был создан в 1834 году в Кёнигсберге русским учёным немецкого происхождения Борисом Семёновичем Якоби (Морицем фон Якоби). Этот двигатель был достаточно мощным, чтобы выполнять механическую работу. В 1838 году в Санкт-Петербурге Якоби установил усовершенствованную версию своего двигателя на лодку, которая успешно двигалась по Неве против течения, перевозя 14 пассажиров. Этот эксперимент наглядно доказал практическую ценность изобретения.

Таким образом, хотя Фарадей открыл явление, лежащее в основе работы электродвигателя, изобретателем первого практически применимого электродвигателя является Б. С. Якоби.

Ответ: Первый практически применимый электродвигатель изобрёл русский учёный Борис Семёнович Якоби в 1834 году.

6. Кто и когда изобрёл первый электродвигатель, пригодный для практического применения?

6. Кто и когда изобрёл первый электродвигатель, пригодный для практического применения?

Первый в мире электродвигатель, который был пригоден для практического применения, изобрёл русский физик и электротехник немецкого происхождения Борис Семёнович Якоби (при рождении Мориц Герман фон Якоби) в 1834 году.

Открытие Якоби имело огромное значение, так как его двигатель был первым, в котором был реализован принцип прямого вращения рабочего вала. Это позволяло напрямую использовать его для привода различных механизмов. Предыдущие разработки, демонстрировавшие электромагнитное движение, имели возвратно-поступательный или качательный характер и были скорее лабораторными демонстрациями принципа, нежели практическими устройствами.

Практическая пригодность двигателя Якоби была наглядно продемонстрирована в 1838 году в Санкт-Петербурге. Усовершенствованная модель его двигателя была установлена на лодке (шлюпке) и успешно двигала её по реке Неве против течения. На борту находилось 14 пассажиров, и лодка развивала скорость около 3 км/ч. Это событие стало первой в истории демонстрацией практического применения электрической энергии для транспортных целей и доказало состоятельность электродвигателя как силового агрегата.

Ответ: Первый практически пригодный электродвигатель изобрёл Борис Семёнович Якоби в 1834 году.