Номер 2, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

2. Где используют переменный электрический ток?

1. Переменный электрический ток — это электрический ток, который периодически изменяет свое направление и величину с течением времени. Наиболее распространенной формой переменного тока является синусоидальный ток, при котором величина тока или напряжения изменяется по закону синуса или косинуса. Графически это выглядит как синусоида.

Получить переменный ток можно с помощью простого опыта, основанного на явлении электромагнитной индукции. Для этого необходимы:

• Постоянный магнит (или электромагнит), создающий магнитное поле.
• Проволочная рамка (контур), способная вращаться в этом поле.
• Гальванометр или другой прибор для регистрации тока.

Процесс получения тока следующий:

1. Проволочная рамка помещается между полюсами магнита.
2. Рамку начинают равномерно вращать вокруг оси, перпендикулярной линиям магнитной индукции.
3. При вращении рамки изменяется магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий ее площадь. Магнитный поток определяется формулой $ \Phi = BS \cos \alpha $, где $ B $ — индукция магнитного поля, $ S $ — площадь рамки, а $ \alpha $ — угол между нормалью к плоскости рамки и вектором магнитной индукции.
4. Согласно закону Фарадея для электромагнитной индукции, изменение магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции в рамке: $ E = -\frac{d\Phi}{dt} $.
5. Так как рамка вращается с постоянной угловой скоростью $ \omega $, угол $ \alpha $ изменяется со временем по закону $ \alpha = \omega t $. Тогда ЭДС индукции будет равна: $ E = - \frac{d(BS \cos(\omega t))}{dt} = BS\omega \sin(\omega t) $.
6. Эта ЭДС является синусоидальной, то есть она периодически изменяет свое значение и знак. Если цепь замкнута, в ней потечет переменный синусоидальный ток, который можно зафиксировать гальванометром.

Ответ: Переменный ток – это ток, периодически меняющий направление и величину. Его можно получить в опыте по вращению проводящей рамки в постоянном магнитном поле, что приводит к возникновению синусоидальной ЭДС индукции из-за периодического изменения магнитного потока через рамку.

2. Переменный электрический ток нашел широчайшее применение в современной технике и быту благодаря двум ключевым преимуществам: простоте его генерации и возможности легкого изменения (трансформации) напряжения.

Основные области использования переменного тока:

• Энергетика: Это основная сфера применения. Вся мировая система производства, передачи и распределения электроэнергии построена на использовании переменного тока. С помощью трансформаторов напряжение повышают для передачи на большие расстояния с минимальными потерями, а затем понижают до бытовых значений (например, 220 В или 110 В) для конечных потребителей.
• Промышленность: Большинство промышленных электродвигателей (особенно асинхронные двигатели) работают на переменном токе. Они имеют простую и надежную конструкцию. Переменный ток используется для мощных нагревательных установок (индукционные печи), сварочных аппаратов и другого промышленного оборудования.
• Бытовое использование: Подавляющее большинство бытовых приборов — холодильники, стиральные машины, кондиционеры, пылесосы, системы освещения — работают непосредственно от сети переменного тока. Электронные устройства, такие как компьютеры или телефоны, также подключаются к сети переменного тока, но внутри имеют блоки питания, которые преобразуют переменный ток в постоянный для питания электронных схем.
• Связь и вещание: Высокочастотные переменные токи используются для генерации электромагнитных волн, которые являются основой радио, телевидения и мобильной связи. Информация кодируется путем модуляции параметров этого переменного сигнала (амплитуды, частоты или фазы).

Ответ: Переменный ток используется повсеместно: в системах производства и передачи электроэнергии, для питания промышленных станков и электродвигателей, в бытовых приборах и системах освещения, а также в качестве несущей волны в радиосвязи и телевещании.

3. Промышленный генератор переменного тока — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции.

Принцип действия: Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. Если изменять магнитный поток, проходящий через замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток. В промышленных генераторах это достигается вращением мощного магнита (ротора) внутри неподвижных катушек с проводом (статора). Вращающееся магнитное поле пересекает витки катушек статора и наводит в них переменную ЭДС.

Устройство: Современный промышленный генератор (синхронная машина) состоит из двух основных частей:

• Статор — неподвижная часть генератора. В его пазах уложены обмотки (называемые обмоткой якоря), в которых и индуцируется переменный ток. Статор представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Именно со статора снимается вырабатываемая электроэнергия.
• Ротор — вращающаяся часть генератора, расположенная внутри статора. Ротор является электромагнитом. На нем расположены обмотки возбуждения, на которые подается постоянный ток от внешнего источника (возбудителя). Этот ток создает сильное магнитное поле. Ротор приводится во вращение внешним механическим источником энергии, таким как паровая, газовая или гидравлическая турбина.

Процесс работы выглядит следующим образом:

1. Турбина вращает ротор генератора.
2. На обмотку возбуждения ротора через систему контактных колец и щеток подается постоянный ток, который создает постоянное магнитное поле.
3. Вращаясь вместе с ротором, это магнитное поле пересекает витки неподвижной обмотки статора.
4. В обмотке статора индуцируется переменная ЭДС. Поскольку обмотка статора обычно состоит из трех частей, сдвинутых в пространстве на 120°, в ней возникает трехфазный переменный ток, который является стандартом в современных энергосистемах.

Такая конструкция (вращающийся электромагнит и неподвижная силовая обмотка) используется в мощных генераторах, так как позволяет снимать ток большой силы и высокого напряжения с неподвижных клемм, что технически проще и надежнее, чем снимать его с вращающихся частей.

Ответ: Генератор переменного тока состоит из неподвижного статора с силовыми обмотками и вращающегося внутри него ротора-электромагнита. Принцип его действия основан на электромагнитной индукции: ротор, вращаемый турбиной, создает переменное магнитное поле, которое наводит в обмотках статора переменную ЭДС, генерируя таким образом электрический ток.