Страница 223 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Какой электрический ток называют переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?

1. Какой электрический ток называют переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?

Переменным электрическим током называют электрический ток, который периодически изменяется со временем по величине и направлению. В отличие от постоянного тока, который течет в одном направлении с неизменной силой, переменный ток совершает колебания. Графически зависимость силы тока от времени часто представляет собой синусоиду. Такой ток называется синусоидальным, и его мгновенное значение можно описать формулой:

$I(t) = I_{max} \cdot \sin(\omega t + \phi_0)$

где $I(t)$ — мгновенное значение силы тока, $I_{max}$ — амплитудное (максимальное) значение силы тока, $\omega$ — циклическая частота, $t$ — время, а $\phi_0$ — начальная фаза колебаний.

Получить переменный ток можно с помощью простого опыта, демонстрирующего явление электромагнитной индукции. Для этого потребуется:

1. Проволочная рамка (или катушка из нескольких витков провода).

2. Постоянный магнит (например, подковообразный), создающий магнитное поле.

3. Чувствительный гальванометр для регистрации электрического тока.

Рамку, подключенную к гальванометру, помещают в магнитное поле и начинают равномерно вращать. При вращении рамки изменяется магнитный поток $\Phi$, пронизывающий ее контур. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в рамке возникает электродвижущая сила (ЭДС индукции), равная скорости изменения магнитного потока:

$\mathcal{E} = - \frac{d\Phi}{dt}$

Поскольку рамка вращается, угол между направлением магнитного поля и нормалью к плоскости рамки постоянно меняется. Это приводит к тому, что ЭДС и создаваемый ею ток в замкнутой цепи периодически изменяют свое значение и направление. Стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну, то в другую сторону от нуля, что и доказывает получение переменного тока.

Ответ: Переменным током называют ток, который периодически изменяется по величине и направлению. Его можно получить в простом опыте, вращая проволочную рамку в магнитном поле и регистрируя возникающий индукционный ток с помощью гальванометра.

2. Где используется?

Переменный ток является основной формой электрической энергии, используемой в мире, благодаря простоте его генерации и, что особенно важно, возможности изменять его напряжение с помощью трансформаторов. Основные области применения:

Электроэнергетика: Переменный ток используется для производства электроэнергии на электростанциях (ТЭС, ГЭС, АЭС) и ее передачи на большие расстояния по линиям электропередачи (ЛЭП). Напряжение повышают до сотен тысяч вольт для минимизации потерь, а затем понижают до бытового уровня перед подачей потребителям.

Бытовое применение: Все бытовые электрические сети являются сетями переменного тока (в России стандартное напряжение — 220 В, частота — 50 Гц). От него работают практически все домашние электроприборы: освещение, холодильники, стиральные машины, кондиционеры, телевизоры, компьютеры (через блоки питания, которые преобразуют переменный ток в постоянный).

Промышленность: В промышленности широко используются двигатели переменного тока (особенно асинхронные), которые приводят в движение станки, конвейеры, насосы и другое оборудование. Также переменный ток применяется для электросварки, электроплавки металлов и промышленного освещения.

Транспорт: Переменный ток используется для питания электровозов на железных дорогах и другого электрического транспорта (например, трамваев и троллейбусов в некоторых системах).

Связь: Высокочастотные переменные токи лежат в основе работы радио, телевидения и мобильной связи, так как именно они используются для создания и передачи радиоволн.

Ответ: Переменный ток используется практически повсеместно: в производстве и передаче электроэнергии на дальние расстояния, в бытовых электросетях для питания приборов, в промышленности для работы электродвигателей и различного оборудования, на электрифицированном транспорте и в системах связи.

2. Где используют переменный электрический ток?

1. Как в опыте его можно получить?

Переменный электрический ток получают на основе явления электромагнитной индукции. Суть этого явления заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Простейший опыт по получению переменного тока можно провести, вращая проволочную рамку в однородном магнитном поле, например, между полюсами постоянного магнита. Концы рамки подключаются к чувствительному гальванометру.

При равномерном вращении рамки с угловой скоростью $ \omega $ магнитный поток $ \Phi_B $, проходящий через ее площадь $ S $, изменяется по гармоническому закону: $ \Phi_B = B \cdot S \cdot \cos(\omega t) $, где $ B $ — индукция магнитного поля.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, возникающая в рамке ЭДС индукции $ \mathcal{E} $ равна скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком минус: $ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} = - \frac{d}{dt}(B S \cos(\omega t)) = B S \omega \sin(\omega t) $.

Как видно из формулы, индуцированная ЭДС изменяется синусоидально, то есть периодически меняет свое значение и направление. Если цепь замкнута, эта ЭДС создает в ней переменный электрический ток. На опыте это будет наблюдаться как колебания стрелки гальванометра в обе стороны от нулевого положения. Такое устройство является простейшей моделью генератора переменного тока.

Ответ: Переменный ток в опыте можно получить, вращая проводящую рамку в постоянном магнитном поле. Из-за периодического изменения магнитного потока через рамку в ней, согласно закону электромагнитной индукции, возникает синусоидальная ЭДС, которая создает в цепи переменный ток.

2. Где используют переменный электрический ток?

Переменный ток (AC) является доминирующей формой электроэнергии в современных системах энергоснабжения и используется практически повсеместно. Его популярность обусловлена, в первую очередь, возможностью легкого и эффективного изменения напряжения с помощью трансформаторов.

Передача электроэнергии. Для передачи электроэнергии на большие расстояния от электростанций к потребителям напряжение повышают до сотен киловольт. Это позволяет уменьшить силу тока и, как следствие, минимизировать потери мощности на нагрев проводов, так как потери пропорциональны квадрату тока ($ P_{потерь} = I^2 R $). Вблизи мест потребления напряжение понижают до безопасных и стандартных значений (например, 220 В или 380 В).

Промышленность. Большинство промышленных электродвигателей (в станках, насосах, конвейерах, вентиляторах) являются асинхронными двигателями переменного тока. Они отличаются простой конструкцией, высокой надежностью, долговечностью и не требуют сложного обслуживания.

Бытовая техника. Почти все бытовые приборы, подключаемые к розетке, работают на переменном токе: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, пылесосы, электроплиты, микроволновые печи. Электронные устройства (компьютеры, телевизоры, зарядные устройства для телефонов) также подключаются к сети переменного тока, но их внутренние блоки питания преобразуют его в постоянный ток (DC), необходимый для работы электронных схем.

Освещение и отопление. Системы освещения (лампы накаливания, люминесцентные, светодиодные) и электрические нагревательные приборы (электрокамины, бойлеры, обогреватели) эффективно работают на переменном токе.

Ответ: Переменный ток используют для передачи электроэнергии на дальние расстояния, в промышленности для привода станков и механизмов, в быту для питания практически всей техники, а также в системах освещения и электрообогрева.

3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.

Промышленный генератор переменного тока — это, как правило, синхронная электрическая машина, которая преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока.

Основными конструктивными элементами промышленного генератора являются:

• Статор — неподвижная часть генератора. Он имеет форму полого цилиндра, который собран из листов электротехнической стали для минимизации потерь на вихревые токи. На внутренней поверхности статора в специальных пазах располагается трехфазная обмотка, называемая якорной. Именно в этой обмотке индуцируется выходное напряжение и ток.
• Ротор — вращающаяся часть генератора. В промышленных синхронных генераторах ротор представляет собой мощный электромагнит. Его обмотка, называемая обмоткой возбуждения, питается постоянным током и создает сильное магнитное поле. Ротор механически соединен с валом первичного двигателя (например, паровой, газовой или гидравлической турбины), который и обеспечивает его вращение.
• Система возбуждения — это комплекс устройств, предназначенный для питания обмотки ротора постоянным током. Она создает и регулирует магнитное поле генератора, что позволяет управлять его выходным напряжением.
• Корпус и система охлаждения — корпус выполняет защитную и несущую функции. Поскольку при работе генератора выделяется большое количество тепла из-за электрических и магнитных потерь, для предотвращения перегрева используется мощная система охлаждения. В зависимости от мощности генератора она может быть воздушной, водородной или водяной.

Работа генератора основана на фундаментальном физическом явлении — электромагнитной индукции, открытом Майклом Фарадеем. Закон электромагнитной индукции гласит, что в любом замкнутом проводящем контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС) при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Процесс генерации электроэнергии происходит в несколько этапов:

1. Первичный двигатель (турбина) приводит ротор генератора во вращение с постоянной скоростью.
2. Одновременно система возбуждения подает в обмотку ротора постоянный ток. В результате ротор превращается в электромагнит, создающий постоянное во времени, но вращающееся в пространстве магнитное поле.
3. Вращающееся магнитное поле ротора пересекает проводники неподвижной обмотки статора.
4. Из-за непрерывного изменения магнитного потока через витки статорной обмотки в них, согласно закону электромагнитной индукции, наводится (индуцируется) переменная ЭДС.
5. Обмотка статора состоит из трех секций, которые сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 120°. Поэтому в них индуцируются три синусоидальные ЭДС, которые сдвинуты по времени (по фазе) также на 120°. Таким образом, генератор вырабатывает трехфазный переменный ток.
6. Частота $f$ генерируемого переменного тока строго синхронизирована со скоростью вращения ротора $n$ (измеряемой в оборотах в минуту) и зависит от числа пар магнитных полюсов ротора $p$. Эта зависимость выражается формулой: $f = \frac{p \cdot n}{60}$. Для получения стандартной в России и Европе промышленной частоты 50 Гц двухполюсный ($p=1$) ротор должен вращаться с частотой 3000 об/мин.

Ответ:

Промышленный генератор состоит из неподвижного статора с трехфазной обмоткой и вращающегося ротора, который является электромагнитом. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции: турбина вращает ротор, создавая вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает проводники обмотки статора, индуцируя в них переменную электродвижущую силу (ЭДС). Так как обмотка статора трехфазная, на выходе генератора образуется трехфазный переменный электрический ток.

Рассмотрите рисунок 175. Замкнём ключ К1, оставив ключ К2 разомкнутым. Почему рамка начинает вращаться? Разомкнём ключ К1, замкнём ключ К2 и приведём рамку во вращение. Почему лампочка загорается? Изменяется ли направление тока, протекающего через лампочку?

Почему рамка начинает вращаться?

Когда замыкается ключ К1, по рамке, подключенной к источнику, начинает течь электрический ток. Рамка находится в магнитном поле. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Направление этой силы определяется по правилу левой руки. 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 — вверх, на другую — вниз). Эта пара сил создает вращающий момент, который заставляет рамку поворачиваться. Этот принцип используется в работе электродвигателей.

Ответ: Рамка начинает вращаться из-за действия сил Ампера со стороны магнитного поля на стороны рамки с током, что создает вращающий момент.

Почему лампочка загорается?

Когда ключ К1 разомкнут, а ключ К2 замкнут, рамка оказывается подключенной к лампочке. Если привести рамку во вращение в магнитном поле, то магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий площадь рамки, будет изменяться. Согласно явлению электромагнитной индукции, изменение магнитного потока через замкнутый проводящий контур приводит к возникновению в этом контуре электрического тока. Этот ток называется индукционным. Возникший в рамке индукционный ток протекает через лампочку, нагревает ее нить накала, и лампочка загорается. Этот принцип используется в работе электрогенераторов.

Ответ: Лампочка загорается, так как при вращении рамки в магнитном поле в ней возникает индукционный ток вследствие явления электромагнитной индукции.

Изменяется ли направление тока, протекающего через лампочку?

Да, направление тока изменяется. В процессе вращения рамки каждая из ее сторон, пересекающих линии магнитного поля, движется то в одном направлении (например, вниз), то в другом (вверх). Направление индукционного тока, согласно правилу правой руки, зависит от направления движения проводника в магнитном поле. Поэтому при смене направления движения стороны рамки на противоположное (что происходит каждый полуоборот), направление индуцируемого тока также меняется на противоположное. В результате в цепи течет переменный ток.

Ответ: Да, направление тока периодически изменяется на противоположное. Через лампочку протекает переменный ток.