Номер 699, страница 107 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Получение и передача переменного тока. Трансформатор - номер 699, страница 107.

Условие.

699. Простейшая схема трансформатора, применяемого для дуговой электросварки, приведена на рисунке 163. Укажите, какой это трансформатор — повышающий или понижающий. Почему его вторичная обмотка изготовлена из проволоки с большой площадью поперечного сечения? Куда следует передвинуть ручку переключателя П, чтобы повысить (или понизить) напряжение во вторичной обмотке?

Угольные электроды для дуговой электросварки

Рис. 163

Решение.

Укажите, какой это трансформатор — повышающий или понижающий.

На рисунке видно, что первичная обмотка (нижняя, к которой подводится напряжение ~220 В) имеет значительно большее число витков ($N_1$), чем вторичная обмотка (верхняя, к которой подключены сварочные электроды), у которой всего несколько витков ($N_2$).Отношение напряжений на обмотках идеального трансформатора равно отношению числа витков в них: $\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1}$.Поскольку число витков в первичной обмотке больше, чем во вторичной ($N_1 > N_2$), напряжение на вторичной обмотке будет меньше, чем на первичной ($U_2 < U_1$).Трансформатор, который понижает напряжение, называется понижающим. Для дуговой электросварки как раз и требуется низкое напряжение, но очень большая сила тока, что и обеспечивает такой тип трансформатора.

Ответ: Трансформатор является понижающим.

Почему его вторичная обмотка изготовлена из проволоки с большей площадью поперечного сечения?

В понижающем трансформаторе напряжение уменьшается, а сила тока, исходя из примерного равенства мощностей в первичной и вторичной обмотках ($P_1 \approx P_2$ или $U_1 I_1 \approx U_2 I_2$), соответственно, увеличивается. Так как $U_2 \ll U_1$, то для сохранения равенства мощностей сила тока во вторичной обмотке должна быть намного больше, чем в первичной: $I_2 \gg I_1$.Сварочные токи могут достигать сотен ампер. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении тока, определяется формулой $Q = I^2 R t$. Чтобы вторичная обмотка не перегревалась и не расплавилась под действием такого большого тока $I_2$, ее электрическое сопротивление $R_2$ должно быть как можно меньше.Сопротивление проводника зависит от его размеров и материала: $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $l$ – длина проводника, а $S$ – площадь его поперечного сечения.Для уменьшения сопротивления $R_2$ вторичную обмотку изготавливают из толстой проволоки, то есть проволоки с большой площадью поперечного сечения $S$.

Ответ: Вторичная обмотка изготовлена из проволоки с большой площадью поперечного сечения для уменьшения ее сопротивления, что необходимо для пропускания очень большого сварочного тока без чрезмерного нагрева и разрушения обмотки.

Куда следует передвинуть ручку переключателя П, чтобы повысить (или понизить) напряжение во вторичной обмотке?

Напряжение на вторичной обмотке $U_2$ связано с напряжением на первичной обмотке $U_1$ и числом витков в обеих обмотках $N_1$ и $N_2$ соотношением: $U_2 = U_1 \frac{N_2}{N_1}$.В данной схеме входное напряжение $U_1$ (от сети 220 В) и число витков вторичной обмотки $N_2$ являются постоянными величинами. Регулировка выходного напряжения $U_2$ осуществляется путем изменения числа витков в первичной обмотке $N_1$ с помощью переключателя П.Из формулы видно, что выходное напряжение $U_2$ обратно пропорционально числу задействованных витков первичной обмотки $N_1$.Следовательно, чтобы повысить напряжение $U_2$, необходимо уменьшить знаменатель дроби, то есть уменьшить число витков $N_1$. Для этого ручку переключателя П следует передвинуть вправо, к точке B.Чтобы понизить напряжение $U_2$, необходимо увеличить число витков $N_1$. Для этого ручку переключателя П следует передвинуть влево, к точке A, задействовав максимальное количество витков.

Ответ: Чтобы повысить напряжение во вторичной обмотке, ручку переключателя следует передвинуть к точке B. Чтобы понизить напряжение, ручку следует передвинуть к точке A.