Ответьте на вопросы, страница 218 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему пара сил, приложенных к рамке в магнитном поле, не могут компенсировать
друг друга?

2. Почему мощные электродвигатели постоянного тока с подвижными контактами
коллектора пожароопасные?

1. Почему пара сил, приложенных к рамке в магнитном поле, не могут компенсировать друг друга?

Пара сил, действующих на рамку с током в магнитном поле, не может скомпенсировать друг друга, потому что, хотя эти силы равны по модулю и противоположны по направлению, их линии действия не совпадают. Такая система сил называется парой сил и создает вращающий момент, который заставляет рамку вращаться.

Рассмотрим прямоугольную рамку с током $I$, помещенную в однородное магнитное поле с индукцией $\vec{B}$. На две стороны рамки длиной $l$, которые находятся в магнитном поле, действует сила Ампера. Согласно правилу левой руки, на одну сторону действует сила $\vec{F_1}$, а на другую — сила $\vec{F_2}$.

Модуль каждой из этих сил одинаков и определяется формулой $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\alpha$, где $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. В типичной конфигурации электродвигателя, когда плоскость рамки не перпендикулярна полю, для сторон, создающих вращение, $\alpha = 90^\circ$, поэтому $\sin\alpha = 1$ и $F_1 = F_2 = I \cdot B \cdot l$.

Направления сил $\vec{F_1}$ и $\vec{F_2}$ противоположны. Таким образом, их векторная сумма равна нулю: $\vec{F_1} + \vec{F_2} = 0$. Это означает, что центр масс рамки не будет испытывать поступательного ускорения.

Однако ключевым моментом является то, что эти две силы приложены к разным сторонам рамки и их линии действия параллельны, но разнесены в пространстве. Пара равных по модулю и противоположных по направлению сил, линии действия которых не совпадают, создает ненулевой вращающий момент $M$. Величина этого момента равна произведению модуля одной из сил на расстояние между линиями их действия (плечо пары). Этот момент и вызывает вращение рамки вокруг своей оси.

Силы могут компенсировать друг друга (то есть их результирующее действие равно нулю) только в том случае, если они равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль одной прямой. Поскольку в случае с рамкой последнее условие не выполняется, силы не компенсируются, а создают вращение.

Ответ: Силы, приложенные к противоположным сторонам рамки, равны по модулю и противоположны по направлению, но их линии действия не совпадают. Такая пара сил создает вращающий момент, заставляющий рамку вращаться, и поэтому не может скомпенсировать друг друга.

2. Почему мощные электродвигатели постоянного тока с подвижными контактами коллектора пожароопасные?

Мощные электродвигатели постоянного тока с подвижными контактами коллектора (щеточно-коллекторным узлом) являются пожароопасными из-за процесса коммутации тока, который сопровождается сильным искрением.

Коллектор в таком двигателе представляет собой набор медных пластин, изолированных друг от друга, которые вращаются вместе с якорем (ротором). К коллектору прижимаются неподвижные щетки (обычно из графита), через которые подается ток в обмотки якоря. При вращении якоря щетки поочередно скользят с одной пластины коллектора на другую, переключая направление тока в обмотках. Это необходимо для поддержания постоянного направления вращающего момента.

Пожароопасность возникает по нескольким основным причинам:

1. Искрение и образование электрической дуги. В момент, когда щетка переходит с одной пластины коллектора на другую, на короткое время происходит разрыв электрической цепи. Обмотка якоря обладает значительной индуктивностью $L$. При резком разрыве цепи с током $I$ возникает большая ЭДС самоиндукции ($E_{L} = -L \frac{dI}{dt}$), которая стремится поддержать ток. Эта ЭДС создает высокое напряжение между щеткой и пластиной коллектора, что приводит к пробою воздушного зазора и возникновению электрической искры или даже дуги. В мощных двигателях токи велики, поэтому и энергия, выделяемая в дуге, значительна.

2. Нагрев контакта по закону Джоуля-Ленца. Мощные двигатели потребляют большие токи. В месте контакта щетки и коллектора всегда есть переходное сопротивление $R_{конт}$. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяющееся в контакте, пропорционально квадрату силы тока: $Q = I^2 \cdot R_{конт} \cdot t$. При больших токах даже малое сопротивление контакта приводит к значительному выделению тепла и сильному нагреву узла.

Температура электрической дуги может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия. Такое сильное искрение и нагрев могут легко воспламенить горючие материалы, находящиеся поблизости: угольную пыль, образующуюся в результате естественного износа графитовых щеток; масла и смазки, используемые в подшипниках двигателя; изоляционные материалы обмоток, особенно если они со временем теряют свои свойства. Совокупность этих факторов и делает щеточные электродвигатели постоянного тока, особенно мощные, потенциально пожароопасными.

Ответ: Пожароопасность мощных щеточных электродвигателей постоянного тока обусловлена сильным искрением (вплоть до образования электрической дуги) между щетками и коллектором при коммутации больших токов. Высокая температура искр и дуги в сочетании с нагревом контакта может воспламенить угольную пыль от износа щеток, смазочные материалы или изоляцию обмоток.