Знакомство с техническими объектами, страница 131 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 5. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 24. Вынужденные электромагнитные колебания. Вопросы - страница 131.

Условие.

Знакомство с техническими объектами

На рис. 138 изображена схема генератора переменного тока. Неподвижная часть генератора – статор 1 представляет собой станину, изготовленную из литой электротехнической стали. На статоре имеется обмотка 3 из толстого медного провода. Цифрой 2 обозначен ротор – вращающаяся часть генератора. Ротор представляет собой электромагнит сложной формы. Его обмотка питается от генератора постоянного тока. Вращение ротора обеспечивает, например, паровая турбина.

а) На каком явлении основано действие генератора?

б) Как в генераторе возникают электромагнитные колебания?

Рис. 138

Решение.

а) Действие генератора переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции. Это явление заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, который пронизывает этот контур. В данном генераторе вращающаяся часть — ротор (2), являющийся электромагнитом, создает магнитное поле. При его вращении, которое обеспечивается внешней механической силой (например, турбиной), изменяется магнитный поток, проходящий через витки неподвижной обмотки статора (3). Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это изменение магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС индукции) в обмотке статора, что и порождает электрический ток.
Ответ: Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции.

б) Электромагнитные колебания в генераторе (т.е. переменный электрический ток и напряжение) возникают в результате преобразования механической энергии вращения ротора в электрическую. Ротор (2) вращается с постоянной угловой скоростью $ \omega $, создавая вращающееся магнитное поле. Это поле пронизывает витки обмотки статора (3). Вследствие вращения, магнитный поток ($ \Phi $), проходящий через обмотку, непрерывно и периодически изменяется по закону, близкому к гармоническому (синусоидальному или косинусоидальному). Например, $ \Phi(t) = \Phi_{max} \cos(\omega t) $, где $ \Phi_{max} $ — максимальное значение магнитного потока. Согласно закону электромагнитной индукции, наводимая в обмотке ЭДС ($ \mathcal{E} $) пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ \mathcal{E}(t) = -\frac{d\Phi}{dt} $. Для косинусоидального потока ЭДС будет изменяться по синусоидальному закону: $ \mathcal{E}(t) = -(\Phi_{max} \cos(\omega t))' = \Phi_{max}\omega \sin(\omega t) $. Эта ЭДС периодически меняет свое значение и полярность. Если к обмотке подключить электрическую цепь, то эта переменная ЭДС вызовет в ней переменный ток, который и является вынужденными электромагнитными колебаниями. Частота этих колебаний равна частоте вращения ротора.
Ответ: Электромагнитные колебания (переменный ток) возникают из-за периодического изменения магнитного потока через обмотку статора при вращении ротора, что, в свою очередь, индуцирует в обмотке переменную по величине и знаку ЭДС.