Ответьте на вопросы, страница 223 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему в промышленных генераторах приводят во вращение индуктор, а якорь оставляют неподвижным?

2. Почему явление электромагнитной индукции можно наблюдать как при движении магнита относительно катушки, так и катушки относительно магнитов?

3. Почему при использовании солнечных батарей и ветрогенераторов необходимы аккумуляторы?

1. Почему в промышленных генераторах приводят во вращение индуктор, а якорь оставляют неподвижным?

В промышленных генераторах переменного тока (синхронных генераторах) вращают именно индуктор (ротор), а обмотку, в которой наводится ЭДС, то есть якорь (статор), оставляют неподвижной по нескольким ключевым инженерным и эксплуатационным причинам.

Во-первых, с неподвижного якоря гораздо проще и безопаснее снимать генерируемую электрическую энергию. Обмотки якоря генерируют очень большие токи при высоком напряжении (тысячи ампер и десятки киловольт). Если бы якорь вращался, потребовалась бы сложная и громоздкая система скользящих контактов (щёток и контактных колец) для отвода такой огромной мощности. Эти контакты были бы источником больших потерь энергии, сильного износа, искрения и представляли бы серьёзную опасность.

Во-вторых, индуктор, создающий магнитное поле, требует значительно меньшей мощности. Ток возбуждения, подаваемый на обмотку индуктора, на порядки меньше тока в обмотке якоря. Подать этот относительно небольшой ток на вращающийся ротор через простые и надёжные контактные кольца технически несложно.

В-третьих, обмотки якоря, рассчитанные на высокое напряжение, требуют очень надёжной изоляции. Выполнить такую изоляцию на неподвижной части (статоре) проще, чем на вращающейся, где на неё действовали бы центробежные силы, вибрации и возникали бы дополнительные механические напряжения.

Наконец, массивная и тяжёлая обмотка якоря, будучи неподвижной, обеспечивает лучшую механическую устойчивость и сбалансированность всей конструкции, в то время как более лёгкий индуктор проще раскрутить до высоких скоростей, необходимых для генерации тока промышленной частоты.

Ответ: Вращение индуктора вместо якоря позволяет упростить конструкцию, повысить её надёжность и безопасность, так как снимать большую мощность с неподвижных обмоток якоря гораздо проще и эффективнее, чем подавать небольшой ток возбуждения на вращающийся индуктор.

2. Почему явление электромагнитной индукции можно наблюдать как при движении магнита относительно катушки, так и катушки относительно магнита?

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Величина наводимой электродвижущей силы (ЭДС) определяется законом Фарадея:

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

Здесь $ \mathcal{E} $ — это ЭДС индукции, а $ \Phi_B $ — магнитный поток. Магнитный поток зависит от величины магнитной индукции поля $ B $, площади контура $ S $ и ориентации контура относительно поля (угла $ \alpha $ между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура). Ключевым условием для возникновения ЭДС является именно изменение магнитного потока с течением времени ($ \frac{d\Phi_B}{dt} \ne 0 $).

Это изменение может быть вызвано движением. Согласно принципу относительности движения, механическое движение является относительным. Не существует абсолютной системы отсчёта, поэтому физические явления должны протекать одинаково независимо от того, какую из взаимодействующих систем мы считаем неподвижной, а какую — движущейся.

Таким образом, для изменения магнитного потока через катушку важно только относительное движение катушки и магнита.

• Когда магнит движется относительно неподвижной катушки, изменяется магнитное поле в точках, где расположена катушка. Это приводит к изменению магнитного потока через неё и, как следствие, к возникновению ЭДС.
• Когда катушка движется относительно неподвижного магнита, она пересекает силовые линии магнитного поля. В результате этого также меняется магнитный поток, пронизывающий катушку, что и вызывает ЭДС.

В обоих случаях происходит изменение числа линий магнитной индукции, проходящих через площадь, ограниченную катушкой, что и является физической причиной возникновения индукционного тока.

Ответ: Явление электромагнитной индукции определяется изменением магнитного потока через контур, которое, в свою очередь, зависит от относительного движения источника поля и контура. Поскольку движение относительно, не имеет значения, движется ли магнит относительно катушки или катушка относительно магнита — результат (возникновение ЭДС) будет одинаковым.

3. Почему при использовании солнечных батарей и ветрогенераторов необходимы аккумуляторы?

Использование аккумуляторов с солнечными батареями и ветрогенераторами обусловлено прерывистым и нестабильным характером этих источников энергии.

Солнечные батареи вырабатывают электроэнергию только в светлое время суток. Ночью, а также в пасмурную погоду или при сильной облачности, их производительность резко падает или становится нулевой. Кроме того, количество вырабатываемой энергии меняется в течение дня, достигая максимума в полдень и снижаясь утром и вечером.

Ветрогенераторы, в свою очередь, зависят от силы ветра. Они не работают в штиль (безветрие) и отключаются при слишком сильном, ураганном ветре, чтобы избежать повреждений. Скорость ветра может меняться очень быстро, из-за чего выработка электроэнергии также становится неравномерной и труднопрогнозируемой.

Потребление же электроэнергии, как правило, не совпадает с пиками её выработки. Например, пик потребления в жилых домах часто приходится на вечерние часы, когда солнечные батареи уже не работают. Возникает разрыв между графиком производства энергии и графиком её потребления.

Аккумуляторы решают эту проблему, выполняя две основные функции:

1. Накопление избыточной энергии: В периоды, когда генерация превышает потребление (например, в солнечный полдень или при сильном ветре), излишки энергии не пропадают, а заряжают аккумуляторы.
2. Отдача энергии при её недостатке: Когда выработка энергии падает или прекращается (ночью, в безветрие), а потребность в ней сохраняется, аккумуляторы отдают накопленную энергию, обеспечивая бесперебойное электроснабжение.

Таким образом, аккумуляторы сглаживают нестабильность возобновляемых источников энергии, позволяя создать надёжную и стабильную систему энергоснабжения.

Ответ: Аккумуляторы необходимы для накопления избыточной энергии в периоды активной работы солнечных батарей и ветрогенераторов и для её отдачи потребителям в то время, когда выработка энергии невозможна (ночью, в безветрие) или недостаточна, обеспечивая тем самым стабильное и бесперебойное электроснабжение.