Номер 7, страница 137 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 5. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 25. Трансформатор. Вопросы - номер 7, страница 137.

Условие.

7. Почему напряжение постоянного тока не может быть понижено с помощью трансформатора?

Решение.

6. Чем отличается повышающий трансформатор от понижающего?

Решение:

Трансформатор — это устройство для преобразования переменного напряжения, работа которого основана на явлении электромагнитной индукции. Основными элементами трансформатора являются первичная и вторичная обмотки, намотанные на общий замкнутый магнитопровод (сердечник).

Главное отличие между повышающим и понижающим трансформатором заключается в соотношении числа витков в их обмотках, что напрямую определяет, будет ли напряжение на выходе увеличиваться или уменьшаться.

Повышающий трансформатор:

• Предназначен для увеличения (повышения) напряжения переменного тока. Напряжение на его вторичной обмотке ($U_2$) выше, чем напряжение, поданное на первичную обмотку ($U_1$).

• Для достижения этого эффекта число витков во вторичной обмотке ($N_2$) должно быть больше числа витков в первичной ($N_1$), то есть $N_2 > N_1$.

• Коэффициент трансформации, который для идеального трансформатора равен отношению напряжений и числу витков, $k = \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{N_2}{N_1}$, для повышающего трансформатора больше единицы ($k > 1$).

• Поскольку мощность в идеальном трансформаторе сохраняется ($P_1 = P_2$), увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока во вторичной обмотке ($I_2 < I_1$).

Понижающий трансформатор:

• Предназначен для уменьшения (понижения) напряжения переменного тока. Напряжение на его вторичной обмотке ($U_2$) ниже, чем на первичной ($U_1$).

• Для этого число витков во вторичной обмотке ($N_2$) должно быть меньше числа витков в первичной ($N_1$), то есть $N_2 < N_1$.

• Коэффициент трансформации для понижающего трансформатора меньше единицы ($k < 1$).

• Уменьшение напряжения сопровождается увеличением силы тока во вторичной обмотке ($I_2 > I_1$).

Ответ: Повышающий трансформатор отличается от понижающего соотношением числа витков в обмотках: у повышающего трансформатора число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной ($N_2 > N_1$), что приводит к увеличению напряжения ($U_2 > U_1$) и уменьшению силы тока. У понижающего трансформатора, наоборот, число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной ($N_2 < N_1$), что приводит к уменьшению напряжения ($U_2 < U_1$) и увеличению силы тока.

7. Почему напряжение постоянного тока не может быть понижено с помощью трансформатора?

Решение:

Работа трансформатора основана на фундаментальном принципе электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея, электродвижущая сила (ЭДС) индукции возникает в проводящем контуре (в данном случае, во вторичной обмотке) только тогда, когда изменяется пронизывающий его магнитный поток. Математически это выражается формулой:

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

где $\mathcal{E}$ — это ЭДС индукции, а $\frac{d\Phi}{dt}$ — скорость изменения магнитного потока во времени.

Рассмотрим два случая:

1. При переменном токе: Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, по ней течет переменный ток. Этот ток создает в сердечнике переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменный (непрерывно изменяющийся) магнитный поток. Поскольку магнитный поток постоянно изменяется ($\frac{d\Phi}{dt} \neq 0$), он индуцирует переменную ЭДС во вторичной обмотке. Таким образом, происходит передача энергии и трансформация напряжения.

2. При постоянном токе: Если к первичной обмотке подключить источник постоянного напряжения, то по ней потечет постоянный ток (после очень короткого переходного процесса в момент включения). Постоянный ток создает в сердечнике постоянное по величине и направлению магнитное поле. Следовательно, магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку, также будет постоянным. Так как этот поток не изменяется со временем ($\frac{d\Phi}{dt} = 0$), то, согласно закону Фарадея, ЭДС индукции во вторичной обмотке не возникает ($\mathcal{E} = 0$).

Таким образом, трансформатор неспособен преобразовывать (ни понижать, ни повышать) напряжение постоянного тока, так как для его функционирования необходимо именно изменение магнитного потока, которое постоянный ток обеспечить не может. Кратковременные всплески напряжения на выходе могут наблюдаться только в моменты включения и выключения источника постоянного тока, так как в эти моменты происходит изменение тока и, соответственно, магнитного потока.

Ответ: Напряжение постоянного тока не может быть изменено с помощью трансформатора, потому что его работа основана на явлении электромагнитной индукции, которое требует переменного магнитного потока. Постоянный ток создает постоянный магнитный поток, который не изменяется со временем, и поэтому не может индуцировать ЭДС во вторичной обмотке трансформатора.