Страница 209 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. На каком физическом явлении основана работа электрического двигателя?

1. На каком физическом явлении основана работа электрического двигателя?

Работа электрического двигателя основана на явлении действия магнитного поля на проводник с электрическим током. Когда рамка (катушка), по которой протекает ток, помещается в магнитное поле, на её стороны начинают действовать силы, называемые силами Ампера. Эти силы создают вращающий момент, который заставляет рамку вращаться. Таким образом, электрическая энергия источника тока преобразуется в механическую энергию вращения.

Величина силы Ампера ($F_A$) определяется формулой:

$F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\alpha$

где $I$ — сила тока в проводнике, $B$ — индукция магнитного поля, $l$ — длина активной части проводника (находящейся в поле), а $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Ответ: Работа электрического двигателя основана на явлении вращения рамки с током в магнитном поле под действием сил Ампера.

2. Используя рисунок 159, опишите принцип действия

(Поскольку рисунок 159 не предоставлен, приводится описание принципа действия модели электродвигателя постоянного тока, которая обычно иллюстрируется в учебниках).

Принцип действия электродвигателя заключается в следующем. Основными его частями являются неподвижный магнит (статор), создающий магнитное поле, и вращающаяся рамка с током (ротор или якорь), которая подключена к источнику тока через коллектор со щетками.

1. Электрический ток от источника через неподвижные щетки и вращающиеся вместе с рамкой полукольца коллектора подается в рамку.
2. Рамка с током находится в магнитном поле статора. Согласно явлению, описанному в первом пункте, на проводники рамки, по которым течет ток, действуют силы Ампера. Направление этих сил можно определить по правилу левой руки.
3. В противоположных сторонах рамки ток течет в противоположных направлениях. Поэтому силы Ампера, действующие на эти стороны, также направлены в противоположные стороны (например, на одну сторону действует сила вверх, на другую — вниз).
4. Эта пара сил создает вращающий момент, который заставляет рамку поворачиваться вокруг своей оси.
5. Чтобы вращение не прекратилось и происходило в одном направлении, используется коллектор. Он представляет собой кольцо, разрезанное на два изолированных друг от друга полукольца. Когда рамка совершает поворот на 180 градусов (проходит положение равновесия), щетки переходят с одного полукольца на другое. В результате направление тока в рамке изменяется на противоположное.
6. Смена направления тока в рамке приводит к тому, что направление сил Ампера и, следовательно, вращающего момента сохраняется. Рамка продолжает вращаться в том же направлении. Этот процесс циклически повторяется, обеспечивая непрерывное вращение ротора.

Ответ: Принцип действия электродвигателя основан на непрерывном вращении рамки с током в магнитном поле, которое обеспечивается действием сил Ампера и специальным устройством — коллектором, который периодически изменяет направление тока в рамке.

2. Используя рисунок 159, опишите принцип действия электродвигателя.

2. Используя рисунок 159, опишите принцип действия электродвигателя.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока, который обычно изображается на подобных схемах, основан на явлении возникновения силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Эта сила называется силой Ампера.

Основные части простейшего электродвигателя:
- Статор – неподвижная часть, которая создает постоянное магнитное поле. В простых моделях это постоянный магнит с северным (N) и южным (S) полюсами.
- Ротор (или якорь) – вращающаяся часть, представляющая собой рамку (катушку) из провода, по которой пропускают электрический ток.
- Коллектор – специальное устройство, состоящее из двух изолированных друг от друга полуколец, к которым припаяны концы рамки. Коллектор вращается вместе с ротором.
- Щетки – неподвижные контакты (обычно графитовые), которые прижимаются к коллектору и подводят к нему электрический ток от источника питания.

Процесс работы можно описать по шагам:
1. Через щетки и коллектор на рамку ротора подается электрический ток.
2. Рамка с током находится в магнитном поле статора. На две стороны рамки, расположенные параллельно оси вращения, начинают действовать силы Ампера. Направление этих сил определяется по правилу левой руки.
3. Поскольку ток в противоположных сторонах рамки течет в разных направлениях, силы Ампера также направлены в противоположные стороны (одна вверх, другая вниз). Эта пара сил создает вращающий момент, который заставляет рамку поворачиваться. Величина силы Ампера рассчитывается по формуле: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$, где $I$ - сила тока в рамке, $B$ - индукция магнитного поля, $l$ - длина стороны рамки, $\alpha$ - угол между направлением тока и линиями магнитной индукции.
4. Когда рамка совершает поворот на 180 градусов (проходит вертикальное положение), полукольца коллектора меняются местами под щетками. Это приводит к изменению направления тока в рамке на противоположное.
5. Благодаря изменению направления тока, направление сил Ампера остается таким, что вращающий момент продолжает действовать в ту же сторону. Это обеспечивает непрерывное вращение ротора в одном направлении.

Таким образом, электродвигатель преобразует электрическую энергию, поступающую от источника тока, в механическую энергию вращательного движения.

Ответ: Принцип действия электродвигателя основан на силе Ампера: на рамку с током, помещенную в магнитное поле, действует пара сил, создающая вращающий момент. Специальное устройство — коллектор — изменяет направление тока в рамке каждый полоборота, что обеспечивает ее непрерывное вращение в одном направлении, преобразуя электрическую энергию в механическую.

3. Приведите примеры использования электрического двигателя.

Электрические двигатели являются одними из самых распространенных устройств и находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности благодаря своей эффективности, надежности и относительной простоте. Вот некоторые примеры их использования:
- В быту: электродвигатели приводят в движение барабаны стиральных машин, вентиляторы в пылесосах, фенах и компьютерах, компрессоры в холодильниках и кондиционерах, ножи в блендерах и миксерах, шпиндели в проигрывателях и жестких дисках.
- На транспорте: они являются основой тягового привода электромобилей, электропоездов, трамваев, троллейбусов, поездов метро. Также они используются в гироскутерах, электросамокатах и электровелосипедах.
- В промышленности: электродвигатели приводят в действие станки (токарные, фрезерные), конвейерные ленты, насосы для перекачки жидкостей и газов, подъемные краны, лифты и эскалаторы.
- В строительстве и ремонте: они используются в ручных электроинструментах, таких как дрели, перфораторы, шлифовальные машины (болгарки), электропилы.
- В детских игрушках: маленькие электродвигатели заставляют двигаться радиоуправляемые машинки, летать квадрокоптеры и вертолеты.

Ответ: Примеры использования электродвигателей: бытовая техника (стиральная машина, пылесос, холодильник), транспорт (электромобиль, трамвай, метро), промышленность (станки, конвейеры, насосы), строительные инструменты (дрель, болгарка), детские игрушки (радиоуправляемые машинки, дроны).

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

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

Электрические двигатели — это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую. Они получили широчайшее распространение во всех сферах жизни человека.

Примеры использования:

• Бытовая техника: стиральные и посудомоечные машины, холодильники, пылесосы, миксеры, блендеры, фены, вентиляторы, кондиционеры.
• Транспорт: электромобили, электропоезда, трамваи, троллейбусы, поезда метро, электросамокаты, лифты, эскалаторы.
• Промышленность: станки (токарные, фрезерные), конвейерные ленты, насосы, компрессоры, промышленные роботы и манипуляторы.
• Компьютерная техника: вентиляторы (кулеры) для охлаждения процессора и других компонентов, двигатели в приводах жёстких дисков (HDD) и оптических дисков (CD/DVD).
• Строительство и инструменты: электродрели, перфораторы, бетономешалки.

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

1. Экологичность: В месте работы электродвигатели не производят вредных выбросов (выхлопных газов, сажи), что особенно важно для улучшения качества воздуха в городах.
2. Высокий КПД: Коэффициент полезного действия (КПД) современных электродвигателей достигает 90–98%, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания обычно составляет 20–40%. Это означает, что электродвигатели намного эффективнее преобразуют энергию в полезную работу.
3. Простота конструкции и надёжность: Электродвигатель имеет значительно меньше движущихся и трущихся частей. Это делает его более надёжным, долговечным, а также упрощает и удешевляет техническое обслуживание.
4. Низкий уровень шума и вибрации: Работают значительно тише и с меньшей вибрацией.
5. Компактность: При одинаковой мощности электродвигатели обычно меньше и легче тепловых двигателей.
6. Мгновенный крутящий момент: Электродвигатели способны выдавать максимальный крутящий момент практически с самого начала вращения, что обеспечивает отличную динамику.
7. Возможность рекуперации: Электродвигатель может работать в режиме генератора, возвращая энергию (например, при торможении электромобиля) обратно в аккумулятор.

Ответ: Электродвигатели используются в бытовой технике (пылесосы, стиральные машины), транспорте (электромобили, трамваи), промышленности (станки, конвейеры). Их основные преимущества перед тепловыми двигателями: высокий КПД (до 98%), экологичность (отсутствие выбросов в месте работы), низкий уровень шума, надёжность и простота конструкции.

4. Кто и когда изобрёл первый электродвигатель?

Изобретение электродвигателя было результатом работы нескольких учёных и инженеров в течение XIX века. Нельзя назвать одного-единственного изобретателя, но можно выделить ключевые фигуры и даты.

В 1821 году английский учёный Майкл Фарадей продемонстрировал основной принцип работы электродвигателя, создав устройство, в котором проводник с током непрерывно вращался вокруг магнита. Это был первый в истории случай преобразования электрической энергии в механическое вращение, но его устройство было лишь лабораторным демонстрационным прибором.

Первый практически применимый электродвигатель постоянного тока был создан в 1834 году русским учёным и инженером Борисом Семёновичем Якоби (Мориц фон Якоби), работавшим в России. Его двигатель уже имел вращающийся якорь и был достаточно мощным для практического использования. В 1838 году Якоби установил усовершенствованную модель своего двигателя на лодку, которая, двигаясь против течения Невы, перевозила 14 пассажиров. Это стало первым в мире практическим применением электродвигателя на транспорте.

Параллельно с Якоби, в 1830-х годах, свои конструкции двигателей разрабатывали американец Томас Дэвенпорт и англичанин Уильям Стёрджен. Однако именно двигатель Якоби принято считать первым, который был успешно применён на практике для приведения в движение механизма.

Ответ: Первый практически применимый электродвигатель, пригодный для использования на практике, изобрёл в 1834 году русский учёный Борис Семёнович Якоби.

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

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

Вопрос об изобретении первого практически применимого электродвигателя сложен, поскольку вклад в его создание внесли несколько ученых и изобретателей в течение XIX века. Однако, если говорить о первом двигателе, который был не просто лабораторным прототипом, а продемонстрировал реальную практическую пользу, то чаще всего называют изобретение российского академика немецкого происхождения Бориса Семёновича Якоби (Морица фон Якоби).

Основополагающий принцип электромагнитного вращения был продемонстрирован ещё в 1821 году Майклом Фарадеем, но его устройство было лишь демонстрацией физического явления, а не рабочим механизмом.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Ключевой особенностью этого двигателя было наличие коммутатора, который переключал полярность тока в обмотках электромагнитов ротора, что обеспечивало его непрерывное вращение. Этот двигатель был значительно мощнее всех предыдущих моделей.

Практическая пригодность изобретения Якоби была наглядно продемонстрирована в 1838 году в Санкт-Петербурге. По заказу императора Николая I была построена лодка, оснащённая электродвигателем Якоби мощностью около 300 Вт (примерно 0,4 л.с.). 13 сентября 1838 года эта лодка, питавшаяся от батареи из 320 гальванических элементов, успешно прошла по Неве против течения, перевозя 14 пассажиров. Это был первый в истории случай успешного применения электрической энергии для приведения в движение транспортного средства.

Таким образом, именно Борис Семёнович Якоби считается изобретателем первого электродвигателя, пригодного для практического применения, а датой его создания — 1834 год.

Ответ: Первый электродвигатель, пригодный для практического применения, изобрёл российский физик Борис Семёнович Якоби в 1834 году.

Пусть рамка с током (см. рис. 159) повернулась на угол 90° и приняла положение, показанное пунктиром. Укажите направления сил, действующих в этот момент на стороны рамки. Почему рамка не останавливается в этом положении, а продолжает вращение?

Решение

Для ответа на вопрос рассмотрим стандартную схему расположения рамки в магнитном поле, как в простом электродвигателе. Пусть магнитное поле $\vec{B}$ создается постоянным магнитом и направлено горизонтально, например, слева направо (от северного полюса N к южному S). Рамка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр.

Укажите направления сил, действующих в этот момент на стороны рамки.

Когда рамка поворачивается на 90° от своего начального положения (в котором ее плоскость была параллельна линиям магнитного поля), она занимает вертикальное положение, показанное пунктиром. В этом положении плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитного поля.

Рассмотрим силы, действующие на стороны рамки в этот момент. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, — это сила Ампера, модуль которой определяется по формуле $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin \alpha$, где $I$ – сила тока, $B$ – индукция магнитного поля, $l$ – длина проводника, а $\alpha$ – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Направление силы определяется по правилу левой руки.

• На горизонтальные (верхнюю и нижнюю) стороны рамки: В этих сторонах ток течет параллельно ($\alpha = 0^\circ$) или антипараллельно ($\alpha = 180^\circ$) линиям магнитного поля. Поскольку $\sin 0^\circ = 0$ и $\sin 180^\circ = 0$, сила Ампера на эти стороны рамки не действует ($F_A = 0$).

• На вертикальные (боковые) стороны рамки: В этих сторонах ток направлен перпендикулярно линиям магнитного поля ($\alpha = 90^\circ$). Согласно правилу левой руки, на одну боковую сторону действует сила, направленная перпендикулярно плоскости рамки (например, "от нас"), а на другую – сила, направленная в противоположную сторону ("к нам"). Эти две силы равны по модулю, противоположны по направлению и лежат на одной прямой, проходящей через ось вращения. Они не создают вращающего момента, а лишь пытаются растянуть рамку.

Таким образом, в положении, когда плоскость рамки перпендикулярна магнитному полю, суммарный вращающий момент, действующий на рамку, равен нулю.

Ответ: В момент, когда рамка повернута на 90° и ее плоскость перпендикулярна линиям магнитного поля, на горизонтальные стороны силы не действуют. На вертикальные стороны действуют две равные по модулю и противоположно направленные силы. Эти силы лежат на одной прямой, проходящей через ось вращения, и не создают вращающего момента.

Почему рамка не останавливается в этом положении, а продолжает вращение?

Хотя в данном "мертвом" положении вращающий момент равен нулю, рамка не останавливается мгновенно по двум основным причинам:

1. Инерция: До достижения этого положения на рамку действовал вращающий момент, который сообщал ей угловое ускорение. К моменту прохождения вертикального положения рамка обладает некоторой угловой скоростью и, следовательно, моментом импульса. По инерции она "проскакивает" это положение равновесия.

2. Коллектор (коммутатор): В реальных электродвигателях, предназначенных для непрерывного вращения, используется специальное устройство – коллектор со щетками. В тот момент, когда рамка проходит положение, где вращающий момент становится равным нулю, коллектор переключает направление тока в рамке на противоположное. Это приводит к тому, что направление сил Ампера на вертикальные стороны рамки меняется на противоположное. В результате меняется и направление вращающего момента, и он снова начинает действовать в ту же сторону, в которую вращалась рамка, поддерживая ее непрерывное вращение.

Ответ: Рамка продолжает вращение, во-первых, благодаря инерции (накопленной угловой скорости), которая позволяет ей пройти положение с нулевым вращающим моментом. Во-вторых, в электродвигателях для обеспечения непрерывного вращения используется коллектор, который в этот момент изменяет направление тока в рамке, что приводит к изменению направления сил и поддержанию вращающего момента в нужном направлении.