Урок физики на тему "Генераторы". 11-й класс. Генератор электрического тока физическое явление

The phenomenon of electromagnetic induction. Generator of electric current

The study of electromagnetic phenomena shows, that around the electric current is always there магнитное поле. The electric current and magnetic field are inseparable.

But if an electric current, as they say, "Creates" magnetic field, there is not whether the reverse phenomenon? Is it possible with the help of a magnetic field to create electric current? This task in the beginning of IX century, many scientists have tried to solve. I put it in front of him and the English scientist Faraday. "Transform magnetism into electricity" - so wrote in his diary that task in Faraday 1822 g. Nearly 10 It took years of hard work to Faraday to solve.

To understand, Faraday was able to "convert magnetism into electricity", We perform some experiments Faraday, using modern equipment.

On the image 305 shows a conductor, the ends of which are attached to the galvanometer. If this move in the conductor inside the magnet or remove from it as, He crossed to the magnetic lines, in it there exists throughout the motion electric current. This can be seen from the deflection of the galvanometer needle. You can move the magnet, and the conductor still secure, important, that there be a conductor motion relative to the magnetic field and the magnetic lines and the conductor at the same time crossed.

The phenomenon of occurrence of an electric current in the conductor, magnetic lines crossing, It called electromagnetic induction. And this occurs when a current-induced current,

Inductive current in the conductor is the same orderly electron motion, as the current, produced by electroplating cells or rechargeable batteries. The name of the "induction" only indicates the reason for its occurrence.

On the phenomenon of electromagnetic induction based device and a high-power current sources - generators. The model generator illustrated in Figure 306. When the frame rotates in the magnetic field (rice, 306), in its winding of a current.

Michael Faraday (1791—1867)- English physicist. He created the doctrine of the magnetic and electric field. I discovered the phenomenon of electromagnetic induction, established laws of electrolysis, famous experiments on the liquefaction of gases.

Technical generator are much more complicated. With their current generated in power plants. For driving the movable part of the generator using internal combustion engines, steam turbines and hydro turbines.

The electrical generator and steam turbine, combined in one unit (rice. 307), He calls turbogenerator. On the image 307 Left shows the appearance of the generator, Right - the appearance of the turbine. Turbine generators mounted on the heat (and nuclear) power. Our factories are now to build generators, power over 1 million. кВт, creating a voltage of 13-15 thousand. AT.

On the image 308 shows a diagram of the hydrogenerator, they, as turbogenerators, generate large current capacity. When using fuel energy generators (coal, oil, gases) water or (on hydroelectric power stations) converted into energy of an electric current, is used in industry, transport, agriculture and households.

questions. 1. On what experience can show the appearance of the conductor induced current? 2. What are the necessary conditions for receiving the conductor induced current? 3. What phenomenon is called electromagnetic induction? Who and when discovered this phenomenon? 4. How powerful are called modern sources of electric current? 5. On what physical phenomenon based device and the effect of the current generators? 6. Which units are called turbogenerators, which - hydrogenerators? 7. What energy transformations occur when the turbo-generator and hydro-generator?

Поделиться ссылкой:

Liked this:

Like Loading...

Похожее

tehnar.net.ua

§68 Переменный электрический ток. Генератор электрического тока.

Часть XI. Переменный электрический ток.

§68 Переменный электрический ток.

Не будет большим преувеличением, если сказать, что современная цивилизация построена на производстве, передаче и использовании энергии электрического тока. Причем, в быту, на транспорте, в промышленности главным образом используются механизмы, работающие на переменном электрическом токе. В данном параграфе мы рассмотрим основные физические принципы работы цепей переменного электрического тока.

68.1 Генератор электрического тока.

В качестве источников переменного тока используются генераторы переменного электрического тока, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции. Работу такого генератора рассмотрим с помощью упрощенной схемы, показанной на рис. 648.

рис. 648 Проволочная рамка (ротор), прикрепленная к валу, может вращаться в зазоре между полюсами постоянных магнитов (которые называются статором). Выводы проволочной обмотки рамки соединены с проводящими кольцами, расположенными на валу. С этими кольцами соприкасаются скользящие контакты (щетки), с помощью которых осуществляется электрический контакт между обмоткой рамки и внешней электрической цепью, для которой генератор служит источником ЭДС. Вал соединен с некоторым двигателем (например, турбиной), который заставляет рамку вращаться с некоторой постоянной угловой скоростью ω. Для обеспечения вращения к валу постоянно прикладываться некоторый момент сил M. Будем считать, что магниты создают однородное магнитное поле индукции B (рис. 649).

рис. 649 Положение рамки будем характеризовать углом поворота φ, который образует нормаль n к плоскости рамки с направлением вектора индукции поля B. При вращении рамки изменяется магнитный поток через нее, поэтому в ней индуцируется ЭДС. Так как с помощью токосъемника (колец и щеток) рамка соединена с внешней электрической цепью, то в рамке и внешней цепи возникает электрический ток. При равномерном вращении рамки угол поворота изменяется по закону

Магнитный поток через рамку также изменяется с течение времени, его зависимость определяется функцией

где S − площадь рамки, кроме того, считаем, что обмотка рамки содержит один виток. По закону электромагнитной индукции М. Фарадея ЭДС индукции, возникающая в рамке равна

Как следует из этого выражения, ЭДС индукции изменяется по гармоническому закону, с частотой равной угловой скорости вращения рамки. Таким образом, мы показали, что рассмотренное устройство действительно является источником переменной ЭДС. Покажем теперь, что рассматриваемый генератор преобразует механическую энергию двигателя в энергию электрического тока. Пусть к генератору подключена внешняя цепь, полное сопротивление1 которой равно R. В соответствии с законом Ома сила тока в цепи будет равна

где φ − угол, который образует нормаль к контуру с направлением вектора индукции поля (в нашем случае, этот же угол, который фигурировал в предыдущих формулах). Учитывая зависимости угла поворота (1) и силы тока (4) от времени, получим, что, в рассматриваемом случае тормозящий момент сил Ампера зависит от времени по закону

Для вращения с постоянной угловой скоростью к рамке должен прикладываться такой же по модулю момент внешних сил, создаваемый двигателем. Таким образом, мощность, которую должен развивать двигатель, рассчитывается по формуле

Принимая во внимание выражение (4) для силы тока, полученное выражение представляется в виде

что совпадает с мощностью электрического тока, которая определяется законам Джоуля-Ленца. Итак, мы показали, что энергия индуцированного тока в точности равна работе сил, вращающих рамку генератора. Конечно, промышленные электрические генераторы (рис. 650) устроены сложнее, чем рассмотренный нами.

рис. 650 Вместо рамки с одним витком используется ротор, содержащий несколько обмоток с большим числом витков. Сильное магнитное поле создается статором, образованном электромагнитами. Во многих генераторах электрический ток индуцируется в неподвижных обмотках, а магнитное поле создается вращающимися электромагнитами. В этом случае через подвижные контакты передается гораздо меньший электрический ток электромагнитов, чем индуцированный электрический ток. 1В реальности обмотка генератора и внешняя цепь обладают индуктивностью, кроме того? внешняя цепь может содержать элементы, обладающие электрической емкостью, поэтому расчет силы тока и его энергетических характеристик более сложен, чем рассматривается в данном разделе. Эти расчеты будут проведены в дальнейшем, здесь же мы рассматриваем простейшую ситуацию для того, чтобы продемонстрировать основную идею.

fizportal.ru

Слободянюк А.И. Физика 10/18.1 — PhysBook

Содержание книги

Предыдующая страница

§18. Переменный электрический ток

18.1 Генератор электрического тока.

Проволочная рамка (ротор), прикрепленная к валу, может вращаться в зазоре между полюсами постоянных магнитов (которые называются статором). Выводы проволочной обмотки рамки соединены с проводящими кольцами, расположенными на валу. С этими кольцами соприкасаются скользящие контакты (щетки), с помощью которых осуществляется электрический контакт между обмоткой рамки и внешней электрической цепью, для которой генератор служит источником ЭДС. Вал соединен с некоторым двигателем (например, турбиной), который заставляет рамку вращаться с некоторой постоянной угловой скоростью ω. Для обеспечения вращения к валу постоянно прикладываться некоторый момент сил \(~\vec M\).

Будем считать, что магниты создают однородное магнитное поле индукции \(~\vec B\) (Рис. 244). Положение рамки будем характеризовать углом поворота φ, который образует нормаль \(~\vec n\) к плоскости рамки с направлением вектора индукции поля \(~\vec B\). При вращении рамки изменяется магнитный поток через нее, поэтому в ней индуцируется ЭДС. Так как с помощью токосъемника (колец и щеток) рамка соединена с внешней электрической цепью, то в рамке и внешней цепи возникает электрический ток.

При равномерном вращении рамки угол поворота изменяется по закону

\(~\varphi = \omega t\) . (1)

Магнитный поток через рамку также изменяется с течение времени, его зависимость определяется функцией

\(~\Phi = BS \cos \varphi = BS \cos \omega t\) , (2)

где S - площадь рамки, кроме того, считаем, что обмотка рамки содержит один виток. По закону электромагнитной индукции М. Фарадея ЭДС индукции, возникающая в рамке равна

\(~\varepsilon = -\Phi' = BS \omega \sin \omega t\) . (3)

Покажем теперь, что рассматриваемый генератор преобразует механическую энергию двигателя в энергию электрического тока. Пусть к генератору подключена внешняя цепь, полное сопротивление[1] которой равно R. В соответствии с законом Ома сила тока в цепи будет равна

\(~I = \frac{\varepsilon}{R} = \frac{BS \omega}{R} \sin \omega t\) . (4)

Так как рамка с током находится в магнитном поле, то на ее стороны действуют силы Ампера, тормозящие движение рамки. Ранее мы показали, что момент сил Ампера, действующий на рамку с током, находящуюся в однородном магнитном поле, определяется формулой \(M_1 = IBS \sin \varphi\) , где φ - угол, который образует нормаль к контуру с направлением вектора индукции поля (в нашем случае, этот же угол, который фигурировал в предыдущих формулах). Учитывая зависимости угла поворота (1) и силы тока (4) от времени, получим, что, в рассматриваемом случае тормозящий момент сил Ампера зависит от времени по закону

\(~M_1 = IBS \sin \omega t = \frac{B^2 S^2 \omega}{R} \sin^2 \omega t\) . (5)

\(~P = M_1 \omega = \frac{B^2 S^2 \omega^2 \sin^2 \omega t}{R}\) . (6)

Принимая во внимание выражение (4) для силы тока, полученное выражение представляется в виде

\(~P = \frac{B^2 S^2 \omega^2 \sin^2 \omega t}{R} = \left( \frac{B S \omega \sin \omega t}{R} \right)^2 R = I^2 R\) , (7)

Конечно, промышленные электрические генераторы устроены сложнее, чем рассмотренный нами. Вместо рамки с одним витком используется ротор, содержащий несколько обмоток с большим числом витков, сильное магнитное поле создается статором образованном электромагнитами. Во многих генераторах электрический ток индуцируется в неподвижных обмотках, а магнитное поле создается вращающимися электромагнитами. В этом случае через подвижные контакты передается гораздо меньший электрический ток электромагнитов, чем индуцированный электрический ток.

Примечания

↑ В реальности обмотка генератора и внешняя цепь обладают индуктивностью, кроме того внешняя цепь может содержать элементы, обладающие электрической емкостью, поэтому расчет силы тока и его энергетических характеристик более сложен, чем рассматривается в данном разделе. Эти расчеты будут проведены в дальнейшем, здесь же мы рассматриваем простейшую ситуацию для того, чтобы продемонстрировать основную идею.

Следующая страница

www.physbook.ru

Электромагнитное поле. Принцип действия электрогенератора

Урок № 47-169 Электромагнитное поле. Принцип действия электрогенератора.

Электромагнитное поле —особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел.

В своей теории Максвелл показал следующее:

1. Электрическое поле может быть создано неподвижными зарядами.

2. Электрическое поле может быть создано переменным магнитным полем, и в этом случае его силовые линии являются замкнутыми; они охватывают изменяющийся магнитный поток (переменное электрическое поле- вихревое).

3. Магнитное поле не имеет источников, его силовые линии всегда замкнуты.

4. Переменное электрическое поле создает переменное магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля аналогично случаю создания переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Источник электромагнитного поля: ускоренно движущиеся заряды.

Возникновение магнитного поля при изменении электрического поля.

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля (см.рисунок), подобно тому, как линии напряженности электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля. Но теперь при возрастании напряженности электрического поля ( >о) направление вектора

индукции возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора Ё.При убывании напряженности электрического поля ( образует с направлением вектора Ё левый винт.

Согласно гипотезе Максвелла магнитное поле, например, при зарядке конденсатора после замыкания ключа создается не только током в проводнике, но и изменяющимся электрическим полем, существующем в пространстве между обкладками конденсатора (см. рисунок). Причем изменяющееся электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал электрический ток, такой же, как в проводнике. Справедливость гипотезы Максвелла была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн.

Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле

порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь порождает переменное магнитное поле

Электрические и магнитные поля — проявление единого целого — электромагнитного поля. Электромагнитное поле — особая форма материи, осуществляющая взаимодействия между заряженными частицами. Оно существует реально, т. е. независимо от нас, от наших знаний о нем. Но в зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны единого целого — электромагнитного поля. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Поэтому ни одному из обнаруживаемых проявлений электромагнитного поля не может быть отдано предпочтение.

Работа электромагнитных сил. На прямолинейный провод длиной l с током I, расположенный в магнитном поле с индукцией В, направленной перпендикулярно к l, действует электромагнитная сила F = = IlB (рис). Если этот провод переместится на расстояние b в направлении силы, то совершенная при этом работа А будет равна произведению силы тока на пересеченный магнитный поток:

А = Fb = IlBb = IBS = IФ.

Работа, совершаемая при перемещении контура с током в магнитном поле,

А = ± I (Ф2 — Ф1) = ± IΔФ, где ΔФ = Ф2 — Ф1 — разность потоков сквозь контур в конце и в начале движения, соответственно. Если контур движется под действием сил поля, то приращение ΔФ всегда положительно, т. е. силы поля стремятся увеличить поток через контур. Если же приращение отрицательно, то это может произойти только под действием внешних сил. По закону электромагнитной индукции Фарадея

электродвижущая сила индукции ε=-. Значение ЭДС, возникающей на концах проводника длиной l,движущегося в магнитном поле с индукцией В со скоростью v: ε=BIvsinα, где α — угол между направлениями векторов В и v . ЭДС индукции достигает наибольшей величины, когда v перпендикулярна к В.

Направление ЭДС индукции определяется в данном случае по правилу правой руки: если расположить правую руку так, чтобы вектор магнитной индукции В входил в ладонь, а отогнутый большой палец направить вдоль вектора скорости, то четыре вытянутых пальца укажут направление ЭДС, а если концы проводника замкнуть,— то и тока.

Принцип действия электрогенератора. Генераторы тока

В генераторе переменного тока механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию переменного тока. Состоит такой генератор из индуктора, т. е. электромагнита или магнита, создающего магнитное поле, и якоря — обмотки, в которой возникает переменная ЭДС.

Действие генератора переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции. Чтобы понять, как он работает, рассмотрим простейшую модель генератора, в которой индуктором является постоянный магнит, а якорем — проволочная рамка (смотри рисунок).

Пусть магнит вращается вокруг рамки с постоянной частотой ν. Тогда за время t он совершит N=νt оборотов. Поскольку каждому обороту соответствует поворот на 360° или 2л радиан, то за все время движения магнит повернется на угол Δφ= 2πN= 2πνt=ωt, где ω=2πν - циклическая частота (или угловая скорость) вращения.

Находящаяся между полюсами магнита рамка в каждый момент времени будет пронизываться магнитным потоком, определяемым выражением Ф=ВScos

α= ВScos(φ0+Δφ)= ВScos(ωt + φ0), где φ = φ0+Δφ — угол, под которым в

произвольный момент времени будет располагаться нормаль к рамке по отношению к силовым линиям магнитного поля (φ0 — значение этого угла в начальный момент времени t=0).

Из-за непрерывного изменения угла φ пронизывающий рамку магнитный поток также будет меняться. Но при изменении магнитного потока возникает ЭДС индукции. Величину этой ЭДС можно найти с помощью закона электромагнитной индукции в форме:=-Ф΄=-(ВScos φ)΄= ВSsin φ∙φ΄ где φ΄ — производная угла φ по времени t. Учитывая, что φ = ωt + φ0, получаем: φ΄=(ωt + φ0)΄= ω

Таким образом, ЭДС индукции в рамке оказывается равной:=ВS ω sin(ωt + φ0) Если теперь подключить к выводам рамки нагрузку (устройство, потребляющее

электроэнергию), то через нее пойдет переменный ток.

Силу тока можно найти по закону Ома: Ii==sin(ωt + φ0). Соответствующий график на рисунке.

Причиной появления тока в данном случае является действие на свободные электроны в проводнике вихревого электрического поля, порождаемого изменяющимся магнитным полем вращающегося магнита.

В рассмотренной модели генератора вращающейся частью (ротором) был магнит, а неподвижной частью (статором) служила рамка. Но переменный ток можно получить и при другой конструкции

генератора, когда ротором является рамка (якорь генератора), а статором — магнит. Причиной появления тока в этом случае будет уже не электромагнитная индукция, а действие на электроны, движущиеся вместе с рамкой, магнитной силы Лоренца.

Особенностью такой конструкции генератора является наличие коллектора в виде скользящих контактов — колец и щеток, позволяющих избежать закручивания проводов, соединяющих вращающуюся рамку с нагрузкой (на рисунке). Аналогичным образом устроен и генератор постоянного тока.

Только вместо сплошных колец в нем используются полукольца (рис. 168, а). Благодаря такому «переключателю» контактов во внешней цепи будет идти постоянный по направлению пульсирующий ток (рис. 169, а).

Пульсации этого тока можно уменьшить. В самом деле, учитывая, что наибольшие значения силы тока наблюдаются при прохождении рамкой положения, параллельного магнитным силовым линиям, вместо одной можно сделать две рамки во взаимно перпендикулярных плоскостях, а их концы вывести на противоположные пластины четвертькольцевого коллектора (рис. 168, б). Через нуль тогда значения силы тока проходить уже не будут (рис. 169, б). Увеличивая число таких секций, можно добиться почти неизменного тока.

Задачи. Электромагнитное поле.

1. Определить энергию магнитного поля катушки, если индуктивность её 0,2 Гн, а сила тока в ней 0,4 А.

2. Сила тока в катушке 4 А. При какой индуктивности катушки энергия её магнитного поля будет равна 8 Дж.

3. Определить силу тока в катушке индуктивностью 0,8 Гн, если энергия магнитного поля равна 4 Дж.

4. Конденсатор ёмкостью С, заряженный до напряжения U,разряжается через катушку, индуктивность которой L,сопротивление равно нулю. Найти максимальный ток в катушке.

5. Определить энергию магнитного поля катушки, состоящей из 100 витков, если при силе тока 8 А в ней возникает магнитный поток 0,02 Вб.

6. По катушке протекает постоянный ток, создающий магнитное поле. Энергия этого поля равна 0,05 Дж, магнитный поток через катушку равен 0,01 Вб. Найти величину тока.

7. Цилиндрическая катушка длиной 50 см с площадью поперечного сечения 2 см2 имеет индуктивность 0,2 мГн. При какой силе тока энергия единицы объёма магнитного поля внутри катушки ровна 1 м Дж/м3.

8. Чему равна объёмная плотность энергии магнитного поля в соленоиде без сердечника, имеющего плотную однослойную намотку проводом диаметром 0,2 мм, если сила тока в ней 0,1 А.

9. Найти энергию магнитного поля соленоида, в котором при силе тока 10 А возникает магнитный поток 0,5 Вб.

http://rusevents.pro/

doc4web.ru

Физика электричества: определение, опыты, единица измерения

Физика электричества - это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. В статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с ней.

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию. О чем еще он может рассказать? О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач. Кто-то сможет привести и несколько других примеров.

физика электричества

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними нас знакомит физика. Электричество (задачи, определения и формулы) мы начинаем изучать еще в школе. И узнаем много интересного. Оказывается, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба - все вырабатывает электрическую энергию.

Электроны и протоны

Определим основные понятия. С точки зрения ученого, физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы интересующего нас явления зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон. Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Обычно число электронов в атоме равно количеству протонов в ядре. Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы такого явления, как физика электричества.

курс физики

О чем еще необходимо знать? Электроны и протоны имеют одинаковый по величине электрический заряд (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона - отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме их недостаточно, то он называется положительным ионом. Если же он содержит их избыток, то его называют отрицательным ионом.

Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей противоположности - протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.

Почему электроны покидают атомы?

Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Их волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции. Они-то и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

физика электричество формулы

Проводимость

В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического поля движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относится большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников. Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.

Знакомясь с такой наукой, как физика (раздел "Электричество"), мы узнаем, что существует особая группа веществ. Это полупроводники. Они ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти - как проводники. К ним, в частности, относятся: германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводник находит множество применений. Например, он может служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями. Они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.

Тепло представляет собой хаотичную форму движения молекул или атомов, а температура - мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры. Другими словами, проводимость металлов возрастает.

Сверхпроводимость

В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля (— 273 °С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.

Генераторы Ван де Граафа

В школьную программу входят различные опыты с электричеством. Существует можество видов генераторов, об одном из которых нам хотелось бы подробнее рассказать. Генератор Ван де Граафа используется для получения сверхвысоких напряжений. Если предмет, содержащий избыток положительных ионов, поместить внутрь контейнера, то на внутренней поверхности последнего появятся электроны, а на внешней - такое же количество положительных ионов. Если теперь коснуться внутренней поверхности заряженным предметом, то на него перейдут все свободные электроны. На внешней же положительные заряды останутся.

В генераторе Ван де Граафа положительные ионы от источника наносятся на ленту конвейера, проходящего внутри металлической сферы. Лента связана с внутренней поверхностью сферы с помощью проводника в виде гребня. Электроны стекают с внутренней поверхности сферы. На внешней же стороне ее появляются положительные ионы. Эффект можно усилить, используя два генератора.

физика электричество задачи

Электрический ток

В школьный курс физики входит и такое понятие, как электрический ток. Что же это такое? Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется - движение тока прекратится, и лампа погаснет.

физика раздел электричество

Движение электронов

Ток в большинстве случаев представляет собой упорядоченное движение электронов в металле, служащем проводником. Во всех проводниках и некоторых других веществах всегда происходит какое-то случайное их движение, даже если ток не протекает. Электроны в веществе могут быть относительно свободны или сильно связаны. Хорошие проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться. А вот в плохих проводниках, или изоляторах, большинство этих частиц достаточно прочно связано с атомами, что препятствует их движению.

Иногда естественным или искусственным путем в проводнике создается движение электронов в определенном направлении. Этот поток и называют электрическим током. Он измеряется в амперах (А). Носителями тока могут служить также ионы (в газах или растворах) и «дырки» (нехватка электронов в некоторых видах полупроводников. Последние ведут себя как положительно заряженные носители электрического тока. Чтобы заставить электроны двигаться в том или ином направлении, необходима некая сила. В природе ее источниками могут быть: воздействие солнечного света, магнитные эффекты и химические реакции. Некоторые из них используются для получения электрического тока. Обычно для этой цели служат: генератор, использующий магнитные эффекты, и элемент (батарея), действие которого обусловлено химическими реакциями. Оба устройства, создавая электродвижущую силу (ЭДС), заставляют электроны двигаться в одном направлении по цепи. Величина ЭДС измеряется в вольтах (В). Таковы основные единицы измерения электричества.

Величина ЭДС и сила тока связаны между собой, как давление и поток в жидкости. Водопроводные трубы всегда заполнены водой под определенным давлением, но вода начинает течь, только когда открывают кран.

что такое электричество

Аналогично электрическая цепь может быть соединена с источником ЭДС, но ток в ней не потечет до тех пор, пока не будет создан путь, по которому могут двигаться электроны. Им может быть, скажем, электрическая лампа или пылесос, выключатель здесь играет роль крана, «выпускающего» ток.

Соотношение между током и напряжением

По мере роста напряжения в цепи растет и ток. Изучая курс физики, мы узнаем, что электрические цепи состоят из нескольких различных участков: обычно это выключатель, проводники и прибор - потребитель электричества. Все они, соединенные вместе, создают сопротивление электрическому току, которое (при условии постоянства температуры) для этих компонентов не изменяется со временем, но для каждого из них различно. Поэтому, если одно и то же напряжение применить к лампочке и к утюгу, то поток электронов в каждом из приборов будет различен, поскольку различны их сопротивления. Следовательно, сила тока, протекающего через определенный участок цепи, определяется не только напряжением, но и сопротивлением проводников и приборов.

опыты с электричеством

Закон Ома

Величина электрического сопротивления измеряется в омах (Ом) в такой науке, как физика. Электричество (формулы, определения, опыты) - обширная тема. Мы не будем выводить сложные формулы. Для первого знакомства с темой достаточно того, что было сказано выше. Однако одну формулу все-таки стоит вывести. Она совсем несложная. Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой: напряжение = ток х сопротивление. Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметров.

Физика электричества - очень интересный раздел науки. Мы рассмотрели лишь основные понятия, связанные с ней. Вы узнали, что такое электричество, как оно образуется. Надеемся, эта информация вам пригодится.

fb.ru

Электрический генератор

Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.

Принцип действия

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора.

Устройство

Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851 г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851—1867 гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863 г.При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866—1867 гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г. А. Пачинотти.

shpora.shcool8.ru

Урок физики на тему "Генераторы". 11-й класс

Разделы: Физика

Цели урока:

продолжить изучение темы переменный ток;
объяснить устройство и принцип действия трехэлектродной лампы, виды и типы генераторов переменного тока;
продолжить формирование естественнонаучных представлений по изучаемой теме;
создавать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся;
способствовать развитию конвергентного мышления;
формирование коммуникативного общения.

Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook, на каждом столе лежит “Сборник по физике” Г.Н. Степановой.

Метод ведения урока: беседа с использованием интерактивного комплекса SMART Board Notebook.

План урока:

Оргмомент
Проверка знаний, их актуализация (методом фронтального опроса)
Изучение нового материала (каркасом нового материала является презентация)
Закрепление
Рефлексия

Ход урока

Ламповый генератор

Выше было рассмотрено применение трехэлектродной лампы в электронном усилителе. Однако триоды широко применяют и в ламповых генераторах, которые служат для создания переменных токов различной частоты.

Простейшая схема лампового генератора приведена на рис. 192. Основными его элементами являются триод и колебательный контур. Для питания нити накала лампы используется батарея накала Бн. В цепь анода включена анодная батарея Бa и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности Lк и конденсатора Cк, Катушка Lc включена в цепь сетки и связана индуктивно с катушкой Lк колебательного контура. Если зарядить конденсатор, а затем замкнуть его на катушку индуктивности, то конденсатор будет периодически разряжаться и заряжаться, а в цепи колебательного контура возникнут затухающие электрические колебания тока и напряжения. Затухание колебаний вызвано потерями энергии в контуре. Для получения незатухающих колебаний переменного тока необходимо периодически с определенной частотой добавлять энергию в колебательный контур с помощью быстродействующего устройства. Таким устройством является триод. Если накалить катод лампы (см. рис. 192) и замкнуть анодную цепь, то в цепи анода появится электрический ток, который зарядит конденсатор Ск колебательного контура. Конденсатор, разряжаясь на катушку индуктивности Lк, вызовет в контуре затухающие колебания. Переменный ток, проходящий при этом через катушку Lк, индуктирует в катушке Lс переменное напряжение, воздействующее на сетку лампы и управляющее силой тока в цепи анода.

Когда на сетку лампы подается отрицательное напряжение, анодный ток в ней уменьшается. При положительном напряжении на сетке лампы в анодной цепи увеличивается ток. Если в этот момент на верхней пластине конденсатора Ск колебательного контура будет отрицательный заряд, то анодный ток (поток электронов) зарядит конденсатор и тем самым скомпенсирует потери энергии в контуре.

Процесс уменьшения и увеличения тока в анодной цепи лампы повторится во время каждого периода электрических колебаний в контуре.

Если при положительном напряжении на сетке лампы верхняя пластина конденсатора Ск заряжена положительным зарядом, то анодный ток (поток электронов) не увеличивает заряда конденсатора, а, наоборот, уменьшает его. При таком положении колебания в контуре не будут поддерживаться, а будут затухать. Чтобы этого не случилось, необходимо правильно включать концы катушек Lк и Lc и обеспечить этим своевременный заряд конденсатора. Если колебания в генераторе не возникают, то необходимо поменять местами концы одной из катушек.

Ламповый генератор является преобразователем энергии постоянного тока анодной батареи в энергию переменного тока, частота которого зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора, образующих колебательный контур. Нетрудно понять, что это преобразование в схеме генератора выполняет триод. Э. д. с., индуктируемая в катушке Lc током колебательного контура, периодически воздействует на сетку лампы и управляет анодным током, который в свою очередь с определенной частотой подзаряжает конденсатор, возмещая таким образом потери энергии в контуре. Такой процесс повторяется многократно в течение всего времени работы генератора.

Рассмотренный процесс возбуждения незатухающих колебаний в контуре называют самовозбуждением генератора, так как колебания в генераторе сами себя поддерживают.

Генераторы переменного тока

Электрический ток вырабатывается в генераторах - устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.п. Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но неспособны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока Ф = BS через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходиться при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки. Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу. В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны. Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Современный генератор электрического тока - это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Основные характеристики электротехнических материалов урок разработка презентация. Генератор переменного тока трансформатор производство передача и использование. Получение и передача переменного электрического тока Трансформатор. Устройства с постоянными магнитами для получения й электроэнергии. Получение электроэнергии при помощи генератора переменного тока. Доклад по дисциплине физика на тему применение трансформатором. Получение переменного тока с помощью индукционного генератора. Получение переменного тока с помощью индукционных генераторов. Генераторы переменного тока роль в производстве электроэнергии. Область применение промышленных генераторов переменного тока. Генераторы переменного тока и получения эдс переменного тока. Расчёт ЭДС в переменном магнитном поле.

Презентация.

Поделиться страницей:

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai