Номер 4, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?

4. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?

Гидрогенераторы, используемые на гидроэлектростанциях (ГЭС), приводятся в движение гидравлическими турбинами. Особенностью таких турбин является их относительно низкая скорость вращения, которая обычно составляет от 50 до 300 оборотов в минуту. Это связано с огромной массой движущихся частей и спецификой работы с большими объемами воды.

В то же время, электрический ток в промышленных сетях должен иметь строго стандартную частоту. В России и большинстве стран Европы эта частота составляет 50 Гц. Частота переменного тока ($f$), вырабатываемого генератором, напрямую связана со скоростью вращения его ротора ($n$) и числом пар магнитных полюсов ($p$) на роторе. Эта зависимость описывается формулой:

$f = \frac{p \cdot n}{60}$

где $f$ — частота тока в Герцах (Гц), $n$ — скорость вращения ротора в оборотах в минуту (об/мин), а $p$ — число пар полюсов.

Чтобы получить ток стандартной частоты при низкой скорости вращения, необходимо увеличить другой параметр в формуле — число пар полюсов. Для наглядности проведем расчет.

Дано:

Стандартная частота переменного тока: $f = 50$ Гц.

Типичная скорость вращения ротора гидрогенератора: $n = 120$ об/мин.

Данные приведены в общепринятых для этой формулы единицах, перевод в СИ (для скорости вращения в рад/с) не требуется для данного расчета.

Найти:

Число пар полюсов ротора $p$.

Решение:

Выразим число пар полюсов $p$ из основной формулы:

$p = \frac{f \cdot 60}{n}$

Подставим известные значения:

$p = \frac{50 \cdot 60}{120} = \frac{3000}{120} = 25$

Таким образом, ротор должен иметь 25 пар полюсов, или $2 \cdot 25 = 50$ полюсов. Такой ротор называется многополюсным. Для сравнения, турбогенераторы на тепловых и атомных электростанциях вращаются с высокой скоростью (например, 3000 об/мин) и для получения частоты 50 Гц им достаточно всего одной пары полюсов ($p=1$).

Использование многополюсных роторов позволяет компенсировать низкую скорость вращения гидротурбины и обеспечить выработку электроэнергии со стандартной промышленной частотой.

Ответ: В гидрогенераторах используют многополюсные роторы, потому что они работают при низких скоростях вращения, обусловленных особенностями гидравлических турбин. Чтобы при такой низкой скорости вращения получить переменный ток стандартной промышленной частоты (50 Гц), необходимо иметь большое число пар магнитных полюсов на роторе, согласно формуле $f = (p \cdot n) / 60$.

5. По какому физическому закону...

(Предполагаемое полное окончание вопроса: "...основан принцип действия генератора электрического тока?")

Принцип действия любого электромеханического генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году.

Суть явления заключается в том, что в любом замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток (индукционный ток) при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Величина возникающей электродвижущей силы (ЭДС) индукции, согласно закону Фарадея, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

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

В конструкции промышленного генератора имеются две основные части: неподвижный статор, в пазах которого уложены обмотки, где и наводится ЭДС, и вращающийся ротор, который представляет собой электромагнит, создающий сильное магнитное поле. Вал ротора приводится во вращение внешним источником механической энергии (например, турбиной). При вращении ротора его магнитное поле также вращается и пересекает витки обмотки статора. В результате этого магнитный поток, пронизывающий обмотку статора, непрерывно изменяется по величине и направлению. Это изменение магнитного потока, в соответствии с явлением электромагнитной индукции, приводит к возникновению в обмотке статора переменной ЭДС и, как следствие, переменного электрического тока. Таким образом, механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию.

Ответ: Принцип действия генератора электрического тока основан на явлении (законе) электромагнитной индукции.