Номер 4, страница 233 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 7. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 36. Переменный электрический ток. Вопросы - номер 4, страница 233.

Условие.

4. Каким образом можно получить источник переменного тока?

Решение.

Источник переменного тока можно получить, используя явление электромагнитной индукции. Это явление заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) и, как следствие, электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Основным устройством для получения переменного тока является электромеханический генератор (также называемый альтернатором). Его работа основана на преобразовании механической энергии в электрическую. Конструктивно он состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части — ротора. Одна из этих частей создает магнитное поле (является индуктором), а в обмотках другой индуцируется переменная ЭДС (эта часть называется якорем).

Рассмотрим принцип действия на примере простейшей модели: проводящая рамка с числом витков $\text{N}$ и площадью $\text{S}$ равномерно вращается с угловой скоростью $\omega$ в однородном магнитном поле с индукцией $\text{B}$.

Магнитный поток $\Phi$, пронизывающий рамку, изменяется со временем по гармоническому закону:

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

где $\alpha = \omega t$ — это угол между вектором магнитной индукции $\text{B}$ и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки в момент времени $\text{t}$.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, ЭДС индукции $\mathcal{E}$, возникающая в рамке, равна скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком минус:

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

Найдем производную от магнитного потока по времени:

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

Максимальное значение ЭДС (амплитуда) достигается, когда $\sin(\omega t) = 1$, и равно $\mathcal{E}_{max} = N \cdot B \cdot S \cdot \omega$. Тогда мгновенное значение ЭДС можно записать как:

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

Таким образом, в рамке возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по синусоидальному закону. Если к концам рамки подключить электрическую цепь, в ней потечет переменный ток, который также будет изменяться синусоидально. Именно по такому принципу работают генераторы на всех электростанциях мира, где механическая энергия (вращение турбин под действием воды, пара или ветра) преобразуется в электрическую энергию переменного тока.

Кроме того, переменный ток можно получить из постоянного тока с помощью электронных устройств — инверторов. Инвертор преобразует постоянное напряжение (например, от аккумулятора или солнечной панели) в переменное напряжение нужной частоты и формы.

Ответ: Источник переменного тока можно получить, используя электромеханические генераторы, работающие на принципе электромагнитной индукции (вращение проводящего контура в магнитном поле), или с помощью электронных устройств-инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный.