Номер 3, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. III. Практические приложения физических знаний - номер 3, страница 297.

Условие.

Использование явления электромагнитной индукции в технике.

Решение.

Электромагниты и их применение.
Электромагнит — это устройство, которое создаёт магнитное поле при прохождении через него электрического тока. Конструктивно он обычно состоит из катушки (обмотки) изолированного провода, намотанной на сердечник из ферромагнитного материала (например, из мягкой стали).
Принцип действия электромагнита основан на явлении, открытом Г. Х. Эрстедом: электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле. Катушка с током (соленоид) создаёт равномерное магнитное поле внутри себя. Ферромагнитный сердечник, помещённый внутрь катушки, многократно усиливает это поле, так как он обладает свойством легко намагничиваться. Сила электромагнита зависит от силы тока в обмотке, числа витков в ней и магнитных свойств сердечника. Важнейшей особенностью электромагнита является то, что его магнитное поле можно легко включать, выключать и регулировать, изменяя силу тока.

Основные области применения электромагнитов:
• Грузоподъемные электромагниты. Мощные электромагниты используются на промышленных предприятиях и в портах для подъёма и перемещения тяжёлых грузов из чёрных металлов (сталь, чугун), таких как металлолом, стружка, рельсы.
• Электромагнитные реле. Это устройства, в которых с помощью слабого тока в обмотке электромагнита замыкаются или размыкаются контакты в другой, более мощной электрической цепи. Реле широко применяются в системах автоматики, управления и защиты.
• Электрические звонки и зуммеры. В классическом электрическом звонке электромагнит притягивает якорь с молоточком, который ударяет по чаше звонка. При этом цепь питания электромагнита разрывается, он перестает действовать, и пружина возвращает якорь в исходное положение. Цепь замыкается снова, и цикл повторяется.
• Электродвигатели и генераторы. Электромагниты используются в качестве статора или ротора для создания магнитных полей, взаимодействие которых приводит к вращению (в двигателях) или выработке тока (в генераторах).
• Запорные устройства. Электромагнитные замки на дверях удерживают их в закрытом состоянии за счёт сильного магнитного поля. При отключении питания замок открывается.
• Динамики (громкоговорители). Переменный ток звуковой частоты проходит через звуковую катушку (подвижный электромагнит), прикрепленную к диффузору. Взаимодействие поля этой катушки с полем постоянного магнита заставляет её колебаться, создавая звуковые волны.
• Медицинское оборудование. В аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) используются сверхпроводящие электромагниты для создания очень сильного и однородного магнитного поля.
• Научные приборы. В ускорителях заряженных частиц (например, в Большом адронном коллайдере) мощные электромагниты используются для управления траекторией пучков частиц.

Таким образом, управляемые магнитные поля электромагнитов нашли широчайшее применение в технике, промышленности, быту и науке.
Ответ: Электромагнит — это устройство, состоящее из катушки с током и, как правило, ферромагнитного сердечника, которое создает управляемое магнитное поле. Они применяются в грузоподъемных механизмах, электромагнитных реле, электродвигателях, динамиках, замках, медицинских и научных приборах благодаря возможности быстро включать, выключать и изменять силу их магнитного поля.

Использование явления электромагнитной индукции в технике.
Явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем в 1831 году, заключается в возникновении электрического тока (электродвижущей силы, ЭДС) в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Величина индуцируемой ЭДС, согласно закону Фарадея, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $E = -N \frac{d\Phi_B}{dt}$, где $\text{E}$ — ЭДС индукции, $\text{N}$ — число витков в контуре, а $\frac{d\Phi_B}{dt}$ — скорость изменения магнитного потока. Знак "минус" отражает правило Ленца, согласно которому индукционный ток всегда имеет такое направление, что он своим магнитным полем противодействует причине, его вызвавшей.

Это фундаментальное явление лежит в основе работы множества технических устройств:
• Электрические генераторы. Это ключевое применение, на котором основана вся современная электроэнергетика. Генераторы преобразуют механическую энергию (вращение турбин на ГЭС, ТЭС, АЭС) в электрическую. Вращение рамки (ротора) в магнитном поле или вращение магнита около неподвижной обмотки (статора) вызывает непрерывное изменение магнитного потока через витки обмотки, что и приводит к генерации переменного тока.
• Трансформаторы. Устройства для повышения или понижения напряжения переменного тока. Трансформатор состоит из двух (или более) катушек, намотанных на общий железный сердечник. Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который, в свою очередь, индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Соотношение напряжений примерно равно соотношению числа витков: $\frac{V_s}{V_p} \approx \frac{N_s}{N_p}$. Трансформаторы незаменимы в сетях передачи и распределения электроэнергии.
• Индукционные плиты. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка, по которой протекает переменный ток высокой частоты. Он создает быстропеременное магнитное поле, которое индуцирует мощные вихревые токи (токи Фуко) в дне металлической посуды. Эти токи нагревают посуду за счет её собственного электрического сопротивления.
• Динамические микрофоны. Звуковые волны заставляют колебаться мембрану, с которой жестко связана небольшая катушка, находящаяся в поле постоянного магнита. Перемещение катушки в магнитном поле приводит к возникновению в ней индукционного тока, форма которого повторяет форму звуковых колебаний.
• Асинхронные двигатели. Переменный ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Это поле пронизывает проводники ротора и индуцирует в них ток. Взаимодействие индуцированного тока с магнитным полем статора создает вращающий момент, который заставляет ротор вращаться вслед за полем.
• Металлодетекторы. Катушка прибора создает переменное магнитное поле. Если вблизи оказывается металлический предмет, это поле индуцирует в нем вихревые токи. Они создают собственное встречное магнитное поле, которое улавливается вторичной катушкой детектора, сигнализируя о находке.
• Бесконтактные карты (RFID, NFC). Считывающее устройство генерирует переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в антенне, встроенной в карту. Этот ток питает микрочип карты, который передает данные обратно на считыватель.

Таким образом, явление электромагнитной индукции является основополагающим для производства, передачи и потребления электроэнергии, а также для работы множества современных устройств.
Ответ: Явление электромагнитной индукции — возникновение тока в проводнике при изменении пронизывающего его магнитного потока. В технике оно используется для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы), для изменения напряжения переменного тока (трансформаторы), для нагрева (индукционные плиты), для преобразования звука в электросигнал (микрофоны), в асинхронных двигателях, металлодетекторах и системах беспроводной передачи данных и энергии (NFC, RFID).