Номер 4, страница 178 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Электромагнитные явления. Параграф 40. Переменный электрический ток. Задание 36 - номер 4, страница 178.

Условие.

4_д. Подготовьте сообщение о современных генераторах, используя различные источники информации, в том числе Интернет.

Решение.

Сообщение о современных генераторах

Современные генераторы — это высокотехнологичные устройства, предназначенные для преобразования различных видов энергии (чаще всего механической) в электрическую. Они являются основой всей мировой энергетики, от гигантских электростанций до портативных устройств.

1. Принцип работы и назначение

В основе работы подавляющего большинства электрических генераторов лежит явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем. Суть явления заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Величина наводимой электродвижущей силы (ЭДС) определяется законом Фарадея:

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

где $ \mathcal{E} $ — ЭДС индукции, а $ \Phi_B $ — магнитный поток. На практике это реализуется за счет вращения ротора (подвижной части с обмотками или магнитами) внутри статора (неподвижной части, также с обмотками). Механическая энергия, вращающая ротор (от турбины, двигателя внутреннего сгорания и т.д.), преобразуется в электрическую энергию в обмотках статора.

Ответ: Основным назначением любого электромеханического генератора является преобразование механической энергии в электрическую на основе закона электромагнитной индукции.

2. Классификация современных генераторов

Современные генераторы можно классифицировать по нескольким ключевым признакам:

• По типу первичного источника энергии: турбогенераторы (приводятся в движение паровыми или газовыми турбинами на ТЭС и АЭС), гидрогенераторы (используют энергию потока воды на ГЭС), ветрогенераторы, дизельные и бензиновые генераторы.
• По типу вырабатываемого тока: генераторы переменного тока (альтернаторы), которые являются наиболее распространенными, и генераторы постоянного тока (динамо), используемые в специфических областях (например, в сварочных аппаратах, в бортовых сетях некоторого транспорта).
• По принципу действия и конструкции: синхронные и асинхронные генераторы. Синхронные генераторы работают с постоянной скоростью, жестко связанной с частотой сети, и являются основой крупных электростанций. Асинхронные генераторы проще по конструкции, надежнее и часто применяются в ветроэнергетике.

Ответ: Современные генераторы классифицируются по множеству признаков, включая тип первичного источника энергии, вид вырабатываемого тока и область применения, что отражает их широкое разнообразие и специализацию.

3. Основные типы и их применение

Рассмотрим несколько ключевых типов современных генераторов:

Синхронные генераторы. Это основной тип генераторов, используемых на всех крупных электростанциях (ТЭС, АЭС, ГЭС). Они способны генерировать электроэнергию высокого качества и большой мощности (до 1600 МВт и более). Их ротор вращается с так называемой синхронной скоростью, которая строго соответствует частоте электрической сети (например, 3000 об/мин для частоты 50 Гц).

Асинхронные генераторы. Благодаря простоте конструкции, надежности и отсутствию щеточного узла они нашли широкое применение в установках малой и средней мощности, особенно в ветроэнергетике. Для работы им необходимо вращаться со скоростью, немного превышающей синхронную.

Инверторные генераторы. Это относительно новый класс портативных генераторов, отличающихся высоким качеством выходного напряжения (стабильная частота и "чистая синусоида") и экономичностью. Принцип их работы заключается в двойном преобразовании энергии: сначала генератор вырабатывает переменный ток, который затем преобразуется в постоянный, а после этого специальный электронный блок (инвертор) снова преобразует его в переменный ток, но уже с идеальными параметрами. Это позволяет двигателю работать в экономичном режиме, подстраивая обороты под текущую нагрузку.

Перспективные типы генераторов. Ведутся разработки и в области принципиально новых способов генерации. К ним можно отнести термоэлектрические генераторы (ТЭГ), использующие эффект Зеебека для прямого преобразования тепла в электричество (применяются в космосе, удаленных объектах), и магнитогидродинамические (МГД) генераторы, преобразующие энергию потока плазмы напрямую в электричество, которые потенциально обладают очень высоким КПД.

Ответ: Выбор типа генератора, от синхронных на крупных электростанциях до портативных инверторных, диктуется требованиями к мощности, качеству энергии, стоимости и условиям эксплуатации.

4. Тенденции и перспективы развития

Развитие генераторов движется в нескольких направлениях:

• Повышение эффективности (КПД): использование новых материалов (в том числе сверхпроводников для обмоток, что позволяет избавиться от потерь на нагрев), совершенствование конструкции и систем охлаждения.
• Интеграция с возобновляемыми источниками энергии: разработка генераторов, способных эффективно работать в переменных режимах, характерных для ветряных и солнечных электростанций.
• Децентрализация энергии: рост популярности малых и бытовых генераторных установок, работающих в составе "умных сетей" (Smart Grid).
• Экологичность: снижение уровня шума, вибраций и вредных выбросов (для генераторов с ДВС).

Ответ: Ключевые направления развития генераторов связаны с повышением их эффективности, экологичности и интеллектуальной интеграцией в энергетические системы будущего для обеспечения надежного и устойчивого энергоснабжения.