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

Глава 3. Электромагнитные явления. Параграф 40. Переменный электрический ток. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 178.

Условие.

4. Как устроен генератор переменного тока?

Решение.

Генератор переменного тока — это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую энергию в виде переменного тока. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции.

Принцип действия

В основе работы генератора лежит закон электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому в любом замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур, возникает электрический ток. Величина индуцируемой электродвижущей силы (ЭДС) пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

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

Магнитный поток $\Phi$ через рамку площадью $\text{S}$, находящуюся в однородном магнитном поле с индукцией $\text{B}$, определяется как $\Phi = B \cdot S \cdot \cos(\alpha)$, где $\alpha$ — угол между вектором магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки. В генераторе механическая энергия используется для вращения рамки (или магнита) с постоянной угловой скоростью $\omega$. При этом угол $\alpha$ изменяется со временем по закону $\alpha = \omega t$. Тогда магнитный поток изменяется как $\Phi(t) = B \cdot S \cdot \cos(\omega t)$.

Подставляя это в закон Фарадея, получаем выражение для ЭДС:

$\mathcal{E}(t) = - \frac{d}{dt}(B S \cos(\omega t)) = B S \omega \sin(\omega t)$

Эта формула показывает, что индуцируемая ЭДС изменяется по синусоидальному закону, то есть является переменной. Если к генератору подключить нагрузку, в цепи потечет переменный ток.

Ответ: Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции: при вращении проводящей рамки в магнитном поле (или магнита около рамки) в ней индуцируется переменная ЭДС, создающая переменный ток в цепи.

Основные компоненты

Простейший генератор переменного тока состоит из следующих основных частей:

1. Статор — неподвижная часть генератора. В его пазах располагаются обмотки, создающие магнитное поле (в этом случае он называется индуктором), либо обмотки, в которых индуцируется ток (в этом случае он называется якорем). В мощных промышленных генераторах статор обычно является якорем, так как снимать большой ток с неподвижных обмоток проще и надежнее.

2. Ротор — вращающаяся часть генератора, приводимая в движение внешним источником механической энергии (например, турбиной). Конструктивно ротор может быть либо якорем (с обмотками, в которых наводится ЭДС), либо индуктором (электромагнитом или постоянным магнитом, создающим вращающееся магнитное поле).

3. Система токосъема — устройство для подключения вращающейся обмотки (якоря) к внешней цепи. Она состоит из:

• Контактных колец (колец скольжения): двух изолированных друг от друга металлических колец, к каждому из которых припаян один конец обмотки ротора. Кольца жестко закреплены на валу ротора и вращаются вместе с ним.

• Щеток: неподвижных проводящих контактов (обычно из графита), которые прижаты к контактным кольцам и обеспечивают скользящий контакт, передавая ток от вращающегося ротора во внешнюю цепь.

Ответ: Основными компонентами генератора переменного тока являются статор (неподвижная часть, создающая магнитное поле или в которой индуцируется ток), ротор (вращающаяся часть) и система токосъема (контактные кольца и щетки), которая соединяет обмотку ротора с внешней электрической цепью.

Процесс работы

Рассмотрим работу генератора, у которого ротор является якорем, а статор — индуктором (создает постоянное магнитное поле).

1. Внешний двигатель (например, турбина) вращает ротор с обмоткой внутри магнитного поля статора.

2. При вращении рамки ее стороны пересекают силовые линии магнитного поля. В результате в проводниках рамки индуцируется ЭДС.

3. В течение первого полуоборота (например, от $0^\circ$ до $180^\circ$) одна сторона рамки движется в одном направлении относительно поля (например, вверх), а другая — в противоположном (вниз). Индуцированный ток течет в одном определенном направлении по рамке и через внешнюю цепь.

4. В течение второго полуоборота (от $180^\circ$ до $360^\circ$) стороны рамки меняются местами и начинают двигаться в обратных направлениях относительно своего предыдущего движения. В результате направление индуцированной ЭДС и тока в рамке меняется на противоположное.

5. Таким образом, за один полный оборот ротора направление тока во внешней цепи меняется дважды. Этот процесс непрерывно повторяется, генерируя синусоидальный переменный ток. Частота переменного тока прямо пропорциональна скорости вращения ротора.

Ответ: В процессе работы генератора ротор вращается в магнитном поле статора, из-за чего в обмотке ротора непрерывно изменяется магнитный поток. Это приводит к возникновению переменной ЭДС. Благодаря системе контактных колец и щеток, индуцированный переменный ток передается во внешнюю цепь, преобразуя механическую энергию вращения в электрическую.