Номер 4, страница 283 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Лабораторные работы - номер 4, страница 283.

Условие.

4. Изучение работы электродвигателя постоянного тока

Цель работы: 1) познакомиться с устройством и принципом действия электродвигателя постоянного тока на его модели; 2) рассмотреть свойство обратимости электродвигателя и электрогенератора.

Средства измерения и материалы:

модель электродвигателя (например, модель электродвигателя из набора «Конструктор»), источник постоянного тока на 4 В, ключ замыкания тока, соединительные провода, цифровой мультиметр (или миллиамперметр из набора «Учебный»), нить длиной примерно 1 м.

Гипотеза исследования

Все типы вращающихся машин постоянного тока обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Направление вращения якоря электродвигателя можно изменять за счёт изменения направления тока в его обмотке при неизменной полярности полюсов индуктора.

Конкретизируйте гипотезу, учитывая, что модель электрической машины может работать за счёт энергии электрического тока и за счёт сторонних сил.

Порядок выполнения работы

1. Познакомьтесь с устройством модели электродвигателя постоянного тока, указав индуктор (постоянные магниты), якорь (ротор), коллектор, щётки, число обмоток.

2. Соберите электрическую цепь, подключив последовательно через ключ к электродвигателю источник постоянного тока. Замкните цепь. Если электродвигатель не работает, найдите причины и устраните их. При необходимости обратитесь к учителю.

3. Измените направление тока в электрической цепи. Убедитесь, что при этом изменилось направление вращения якоря электродвигателя.

4. Разомкнув электрическую цепь, замените источник тока мультиметром (или миллиамперметром).

5. На вал электродвигателя намотайте нить. Для того чтобы привести во вращение якорь, потяните нить за её свободный конец. В этом случае машина постоянного тока будет работать в режиме генератора. При этом на мониторе дисплея мультиметра появившиеся цифры покажут значение тока в электрической цепи в миллиамперах. Если используется миллиамперметр, то его стрелка отклонится.

6. Объясните, почему возник электрический ток.

7. Подтвердилась или не подтвердилась ваша гипотеза исследования?

Решение.

Конкретизация гипотезы исследования

Электрическая машина постоянного тока обладает свойством обратимости, что позволяет ей функционировать в двух режимах.

1. В режиме электродвигателя, при подключении к источнику электрического тока, машина преобразует электрическую энергию в механическую. На проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле индуктора, действует сила Ампера, создающая вращающий момент. Направление вращения якоря можно изменить, поменяв направление тока в его обмотке, что приведёт к изменению направления силы Ампера на противоположное в соответствии с правилом левой руки.

2. В режиме электрогенератора, при приведении якоря во вращение с помощью внешней механической силы, машина преобразует механическую энергию в электрическую. При вращении якоря в магнитном поле индуктора в проводниках его обмотки, согласно закону электромагнитной индукции, возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая создаёт электрический ток во внешней цепи.

Ответ: Гипотезу можно сформулировать так: машина постоянного тока обратима и может работать как двигателем (преобразуя электрическую энергию в механическую), так и генератором (преобразуя механическую энергию в электрическую); при этом в режиме двигателя направление её вращения напрямую зависит от направления тока в обмотке якоря.

1. Познакомьтесь с устройством модели электродвигателя постоянного тока, указав индуктор (постоянные магниты), якорь (ротор), коллектор, щётки, число обмоток.

Модель электродвигателя постоянного тока состоит из следующих основных частей:

1. Индуктор – неподвижная часть (статор), создающая постоянное магнитное поле. В учебной модели в качестве индуктора обычно используются постоянные магниты, расположенные так, чтобы создать магнитное поле в области вращения якоря.

2. Якорь – вращающаяся часть (ротор), представляющая собой сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него одной или несколькими обмотками из медного провода.

3. Коллектор – устройство, расположенное на валу якоря, выполненное в виде разделённых изолятором медных полуколец (или пластин). К каждой пластине коллектора припаян конец обмотки якоря. Коллектор служит для переключения направления тока в обмотках якоря при его вращении, что обеспечивает непрерывность вращающего момента в одном направлении.

4. Щётки – неподвижные токопроводящие контакты (часто графитовые), которые прижимаются к пластинам вращающегося коллектора и обеспечивают электрическую связь обмотки якоря с внешней цепью (источником тока или нагрузкой).

5. Число обмоток – в простейших моделях может быть одна обмотка, но для более стабильного вращения и отсутствия «мёртвых точек» используется несколько обмоток (например, три), подключённых к соответствующему числу пластин коллектора.

Ответ: Основные части модели электродвигателя: индуктор (постоянные магниты), якорь (ротор с обмотками), коллектор (переключатель тока) и щётки (токоподводящие контакты).

3. Измените направление тока в электрической цепи. Убедитесь, что при этом изменилось направление вращения якоря электродвигателя.

Вращение якоря электродвигателя происходит под действием силы Ампера, действующей на проводники с током в магнитном поле. Величина и направление этой силы определяются векторным произведением $ \vec{F} = I(\vec{l} \times \vec{B}) $, где $ I $ – сила тока, $ \vec{l} $ – вектор длины проводника, направленный вдоль тока, а $ \vec{B} $ – вектор магнитной индукции. Направление силы $ \vec{F} $ можно определить по правилу левой руки.

При изменении направления тока в цепи (например, при смене полярности подключения источника питания) изменяется на противоположное направление вектора $ \vec{l} $. В соответствии с правилом левой руки (или свойствами векторного произведения), это приводит к изменению направления силы Ампера $ \vec{F} $ на противоположное. Так как вращающий момент, действующий на якорь, создаётся парой этих сил, он также меняет своё направление. В результате якорь электродвигателя начинает вращаться в противоположную сторону.

Ответ: Направление вращения якоря изменилось, так как при смене направления тока в обмотке якоря, согласно правилу левой руки, на противоположное меняется направление силы Ампера, которая и создаёт вращающий момент.

6. Объясните, почему возник электрический ток.

Когда якорь электродвигателя приводится во вращение внешней силой (в данном случае, путём наматывания и вытягивания нити), машина начинает работать в режиме генератора. Это явление объясняется законом электромагнитной индукции Фарадея.

Согласно этому закону, при изменении магнитного потока $ \Phi_B $, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС индукции), равная скорости изменения этого потока: $ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $.

При вращении якоря в постоянном магнитном поле индуктора витки его обмотки пересекают силовые линии магнитного поля. Вследствие этого магнитный поток через контур обмотки непрерывно изменяется. Это изменяющееся магнитное поле и индуцирует в обмотке ЭДС. Поскольку цепь замкнута через мультиметр (или миллиамперметр), возникшая ЭДС создаёт в ней индукционный электрический ток, который и регистрируется прибором.

Ответ: Электрический ток возник вследствие явления электромагнитной индукции: при вращении якоря в магнитном поле в его обмотках индуцировалась ЭДС, которая и создала ток в замкнутой цепи.

7. Подтвердилась или не подтвердилась ваша гипотеза исследования?

Гипотеза исследования состояла из двух частей.

1. Свойство обратимости. Эксперимент подтвердил, что одна и та же электрическая машина может работать и как двигатель (пункт 2), потребляя электроэнергию и совершая механическую работу, и как генератор (пункт 5), преобразуя механическую работу во вращение в электрическую энергию (индукционный ток).

2. Зависимость направления вращения от направления тока. Эксперимент (пункт 3) показал, что при изменении полярности подключения источника тока, то есть при изменении направления тока в обмотке якоря, направление его вращения изменяется на противоположное.

Таким образом, оба положения, выдвинутые в гипотезе, полностью подтвердились в ходе проведённого исследования.

Ответ: Да, гипотеза исследования полностью подтвердилась.