Номер 4, страница 36, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 70. Переменный электрический ток. Вопросы и задания - номер 4, страница 36.

Условие.

4. Опишите механизм получения переменного электрического тока.

Решение.

Механизм получения переменного электрического тока основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление, открытое Майклом Фарадеем, заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) и, как следствие, электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Для генерации переменного тока используются специальные устройства — генераторы. Рассмотрим принцип действия простого генератора переменного тока.

1. Устройство генератора

Простейший генератор состоит из:

• Статора — неподвижной части, создающей постоянное магнитное поле. Обычно это сильный постоянный магнит или электромагнит.
• Ротора (якоря) — вращающейся части, которая представляет собой катушку из проводника (рамку), в которой индуцируется ЭДС.
• Системы токосъёма — контактных колец и щёток, которые соединяют вращающуюся катушку с внешней электрической цепью.

2. Процесс генерации ЭДС

Ротор (проводящая рамка) приводится во вращение с постоянной угловой скоростью $ \omega $ в однородном магнитном поле статора. При вращении рамки непрерывно изменяется угол $ \alpha $ между направлением вектора магнитной индукции $ \vec{B} $ и нормалью $ \vec{n} $ (перпендикуляром) к плоскости рамки. Этот угол изменяется со временем по закону $ \alpha = \omega t $.

Магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий рамку площадью $ S $, зависит от этого угла и определяется формулой:

$ \Phi = B \cdot S \cdot \cos(\alpha) $

Так как угол $ \alpha $ изменяется со временем, то и магнитный поток также изменяется по гармоническому закону:

$ \Phi(t) = B \cdot S \cdot \cos(\omega t) $

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в рамке возникает ЭДС индукции $ \mathcal{E} $, равная скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком минус. Для катушки, содержащей $ N $ витков провода, закон имеет вид:

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

Чтобы найти ЭДС, нужно взять производную от выражения для магнитного потока по времени:

$ \frac{d\Phi}{dt} = \frac{d}{dt}(B \cdot S \cdot \cos(\omega t)) = -B \cdot S \cdot \omega \cdot \sin(\omega t) $

Подставив производную в закон Фарадея, получим мгновенное значение ЭДС:

$ \mathcal{E}(t) = -N(-B \cdot S \cdot \omega \cdot \sin(\omega t)) = N \cdot B \cdot S \cdot \omega \cdot \sin(\omega t) $

Это уравнение показывает, что индуцируемая ЭДС изменяется по синусоидальному закону. Максимальное (амплитудное) значение ЭДС $ \mathcal{E}_{max} $ достигается, когда $ \sin(\omega t) = \pm 1 $, и равно $ \mathcal{E}_{max} = N \cdot B \cdot S \cdot \omega $. Таким образом, закон изменения ЭДС можно записать в виде:

$ \mathcal{E}(t) = \mathcal{E}_{max} \sin(\omega t) $

3. Возникновение переменного тока

Если к зажимам генератора подключить внешнюю цепь с сопротивлением $ R $, то под действием этой синусоидальной ЭДС в цепи потечёт электрический ток, который также будет изменяться по синусоидальному закону (согласно закону Ома):

$ I(t) = \frac{\mathcal{E}(t)}{R} = \frac{\mathcal{E}_{max}}{R} \sin(\omega t) = I_{max} \sin(\omega t) $

Такой ток, который периодически изменяет свою величину и направление, и называется переменным. Таким образом, механическая энергия, затрачиваемая на вращение рамки, преобразуется в электрическую энергию переменного тока.

Ответ: Переменный электрический ток получают с помощью генераторов, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции. Механизм заключается в том, что при вращении проводящей катушки (ротора) в постоянном магнитном поле (статора) происходит периодическое изменение магнитного потока, пронизывающего катушку. Это изменение потока индуцирует в катушке электродвижущую силу (ЭДС), которая изменяется по синусоидальному закону, что, в свою очередь, создает в подключенной к генератору электрической цепи синусоидальный переменный ток.