§ 16. Явище електромагнітної індукції. Промислові джерела електричної енергії

Зміст

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.

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.

1. Розвиток розподіленої дахової сонячної генерації: розміщення СЕС на комунальних та приватних спорудах знижує навантаження на магістральні мережі та не потребує додаткових земельних площ.
2. Будівництво локальних вітрових парків: використання вітрового потенціалу забезпечує генерацію в холодну пору року й у нічний час, коли сонячна активність мінімальна.
3. Встановлення промислових накопичувачів (BESS): системи акумуляторів гарантують балансування піків виробництва та споживання «зеленої» енергії.
4. 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?

1. а) Під час наближення магніту суцільне кільце відштовхується від нього, і коромисло повертається. б) Під час віддалення магніту кільце притягується та слідує за магнітом.
2. 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).
3. 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.