Вправа № 16
1. Нерухомі котушка й магніт розташовані так, як показано на рисунку. У якому випадку гальванометр зареєструє появу струму? Виберіть усі правильні відповіді.
А Котушка рухається назустріч магніту
Б Магніт віддаляється від котушки
В Магніт наближається до котушки
Г Котушка й магніт нерухомі відносно одне одного
Д Котушка й магніт наближаються одне до одного
Відповідь: А, Б, В, Д. Індукційний струм генерується за будь-якого відносного переміщення котушки та магніту, адже тільки за цієї умови змінюється кількість ліній магнітної індукції крізь площу витків.
2. Провідна рамка обертається в магнітному полі постійного магніту. Який кут має утворювати площина рамки з лініями магнітної індукції, щоб кількість ліній, які пронизують рамку, дорівнювала нулю? Виберіть усі правильні відповіді.
А $0^\circ$
Б $180^\circ$
В $45^\circ$
Г $90^\circ$
Відповідь: А, Б. Коли площина рамки орієнтована паралельно магнітним лініям (кут становить $0^\circ$ або $180^\circ$), магнітні лінії ковзають уздовж поверхні й не пронизують її контур.
3. Назвіть основні складники генератора індукційного струму. Яке призначення має кожний складник?
- Статор — нерухома частина генератора з робочою обмоткою, у якій индукується електричний струм.
- Ротор — рухома (обертова) частина генератора, яка є електромагнітом і створює необхідне обертове магнітне поле.
4. Чи згодні ви з висловом «генератор створює електрику»? Обґрунтуйте свою відповідь.
Ні, вислів є фізично неточним. Відповідно до закону збереження енергії, генератор не утворює заряди чи енергію «з нічого», а лише здійснює перетворення механічної енергії на електричну за допомогою електромагнітної індукції.
5. Порівняйте бензинові генератори та промислові джерела електричної енергії. Що спільного вони мають і чим відрізняються? Які перетворення енергії в них відбуваються?
- Спільне: однаковий фундаментальний принцип дії (електромагнітна індукція) та наявність основних вузлів (ротор і статор).
- Відмінності: промислові генератори мають колосальні розміри, надвисоку потужність і приводяться в рух турбінами (паровими, гідравлічними, вітровими). Бензинові генератори — компактні автономні пристрої малого масштабу, де рушієм є бензиновий двигун внутрішнього згоряння.
- Перетворення енергії: у бензогенераторі хімічна енергія палива $\rightarrow$ внутрішня та механічна $\rightarrow$ електрична. У промислових станціях енергія теплова/падіння води/вітру $\rightarrow$ механічна енергія турбіни $\rightarrow$ електрична енергія.
6. Поясніть, чому промислові генератори неможливо обертати вручну, навіть якщо люди робитимуть це по черзі.
Для генерації мегаватної потужності необхідно виконувати величезну механічну роботу з подолання магнітного гальмування ротора (сили Ампера, яка протидіє обертанню згідно з правилом Ленца). Сили людських м’язів для цього принципово недостатньо.
7. В одній з областей України виробництво електроенергії відбувається на теплових і вітрових електростанціях. Складіть у вигляді таблиці перелік переваг і недоліків для кожного типу електростанцій.
| Тип електростанції | Переваги | Недоліки |
|---|---|---|
| Теплові електростанції (ТЕС) | • Висока одинична потужність. • Незалежність генерації від погоди й пори року. • Можливість гнучкого маневрування потужністю. | • Значні шкідливі викиди та парниковий ефект. • Використання вичерпного викопного палива. • Низький ККД і утворення шлаків. |
| Вітрові електростанції (ВЕС) | • Невичерпне й безкоштовне відновлюване джерело. • Екологічна безпека (відсутність викидів). • Низькі експлуатаційні витрати. | • Нестабільність генерації через мінливість вітру. • Потреба у великих площах для монтажу. • Шум і потенційна небезпека для птахів. |
8. Уявіть, що вас призначили відповідальними від Програми сталого розвитку ООН із питання збільшення виробництва електроенергії в регіоні, де ви живете. Скориставшись додатковими джерелами інформації, запропонуйте план розвитку електроенергетики у вашому регіоні. Обґрунтуйте кожний пункт плану.
- Розвиток розподіленої дахової сонячної генерації: розміщення СЕС на комунальних та приватних спорудах знижує навантаження на магістральні мережі та не потребує додаткових земельних площ.
- Будівництво локальних вітрових парків: використання вітрового потенціалу забезпечує генерацію в холодну пору року й у нічний час, коли сонячна активність мінімальна.
- Встановлення промислових накопичувачів (BESS): системи акумуляторів гарантують балансування піків виробництва та споживання «зеленої» енергії.
- Підвищення енергоефективності електромереж: модернізація трансформаторів і ліній електропередач для суттєвого зменшення технологічних втрат під час транспортування струму.
TOP SKILLS: Робота з інформацією
1. Як має рухатися магніт відносно котушки, щоб кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, збільшувалась?
Магніт має наближатися до котушки або вводитися безпосередньо в її порожнину.
2. Як котушка взаємодіє з магнітом, коли він наближається до неї?
Котушка відштовхує магніт, який до неї наближається, оскільки індукційний струм створює на ближчому торці однойменний магнітний полюс.
3. Як змінився б результат досліду, якби магніт наближали північним полюсом до котушки? Виконайте пояснювальний рисунок та обґрунтуйте відповідь.
При наближенні північного полюса ($N$) магнітний потік зростає. За правилом Ленца, котушка створить зустрічне магнітне поле, спрямоване проти зовнішнього, тому на її ближчому торці виникне однойменний північний полюс ($N$), і котушка знову відштовхуватиметься від магніту. Проте напрямок ліній струму у витках зміниться на протилежний порівняно з наближенням південного полюса ($S$).
4. На рис. 1 зображено пристрій, який складається з двох алюмінієвих кілець (суцільного та розрізаного), закріплених на алюмінієвому коромислі, що має змогу легко обертатися навколо вертикальної осі. 1) Як поводитиметься суцільне кільце пристрою, якщо: а) підносити до нього магніт? б) відсувати від нього магніт? 2) Як буде напрямлений індукційний струм у суцільному кільці в кожному випадку (див. п. 1)? 3) Що відбуватиметься, якщо магніт підносити до розрізаного алюмінієвого кільця?
- а) Під час наближення магніту суцільне кільце відштовхується від нього, і коромисло повертається. б) Під час віддалення магніту кільце притягується та слідує за магнітом.
- За наближення магніту індукційний струм утворює поле однойменної полярності (протидіє зближенню). За віддалення — індукційний струм змінює свій напрямок на зворотний, створюючи протилежний полюс (протидіє віддаленню).
- Розрізане кільце залишиться нерухомим, оскільки в розімкненому провіднику не може виникнути замкнений індукційний струм, тому взаємодія з магнітним полем відсутня.
5. Котушка й алюмінієве кільце розміщені на спільному осерді (рис. 2). Визначте напрямок індукційного струму в кільці, якщо ключ замкнути. Як поводитиметься кільце в момент замикання ключа?
У момент замикання ключа струм у котушці наростає від нуля, рухаючись по витках від «$+$» до «$-» джерела струму. Це спричиняє швидке зростання магнітного поля в осерді.
За правилом Ленца, у суцільному алюмінієвому кільці индукується струм такого напрямку, який намагається скомпенсувати наростання магнітного потоку. Отже, струм у кільці матиме протилежний напрямок до струму у витках котушки. Взаємодія протилежно спрямованих магнітних полів зумовить відштовхування: кільце відскочить від котушки вздовж спільного осердя.