§ 16. Явище електромагнітної індукції. Промислові джерела електричної енергії

Зміст

Контрольні запитання

1. Опишіть досліди М. Фарадея.

У своїх дослідах Майкл Фарадей використовував котушку, з’єднану з чутливим гальванометром. Під час внесення магніту всередину котушки або його витягування (а також за будь-якого руху котушки відносно магніту) стрілка гальванометра відхилялася, сигналізуючи про виникнення електричного струму. Щойно відносний рух припинявся, струм у котушці зникав.

2. У чому полягає явище електромагнітної індукції?

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в замкненому провідному контурі в разі зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром.

3. Який струм називають індукційним?

Індукційним струмом називають електричний струм, який виникає в замкненому провіднику внаслідок зміни магнітного поля, що його пронизує.

4. Робота яких пристроїв ґрунтується на явищі електромагнітної індукції? Які перетворення енергії в них відбуваються?

На цьому явищі базується робота генераторів електричного струму, трансформаторів та індукційних плит. У генераторах відбувається перетворення механічної енергії на електричну.

5. Поясніть, чому під час обертання рамки лампа світиться.

Під час неперервного обертання дротяної рамки між полюсами магніту кількість ліній магнітної індукції, що пронизують площину рамки, постійно змінюється. Це викликає появу індукційного струму, який живить лампу та змушує її світитися.

6. Опишіть будову та принцип дії генераторів індукційного струму.

Генератор складається з джерела магнітного поля (статора або електромагніту) та провідної обмотки (ротора або нерухомої частини генератора). Принцип його дії ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: під час обертання рухомої частини магнітне поле, що пронизує витки обмотки, постійно змінюється, збуджуючи в них змінний електричний струм.

7. Як працюють промислові джерела електричної енергії?

Промислові джерела є потужними синхронними генераторами. Усередині нерухомого статора з багатовитковою мідною обмоткою обертається електромагніт — ротор. Обертання ротора забезпечують гідравлічні, парові або вітрові турбіни. Змінне магнітне поле від ротора перетинає обмотки статора, індукуючи в них потужний промисловий електричний струм.

8. Чим відрізняються традиційні, альтернативні та відновлювані джерела енергії?

• Традиційні джерела використовують невідновлювані викопні ресурси (вугілля, газ, нафту, ядерне паливо), спалювання яких забруднює довкілля.
• Альтернативні джерела охоплюють усі нетрадиційні способи отримання енергії, що покликані замінити викопне паливо.
• Відновлювані джерела базуються на невичерпних природних ресурсах, які природно поповнюються (сонце, вітер, вода, геотермальне тепло).

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.
Обґрунтування: Індукційний струм з’являється у будь-якому випадку, коли є відносний рух між магнітом та котушкою, оскільки саме рух спричиняє зміну магнітного потоку крізь контур котушки. За відсутності руху (варіант Г) струм не виникає.

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.
Обґрунтування: Коли площина рамки паралельна лініям магнітної індукції (кут між площиною та лініями становить $0^\circ$ або $180^\circ$), магнітні лінії лише ковзають уздовж поверхні рамки і не перетинають її внутрішню площу.

3. Назвіть основні складники генератора індукційного струму. Яке призначення має кожний складник?

Відповідь:

• Статор — нерухома частина генератора, у пазах осердя якої закладено мідні обмотки; у них генерується електричний струм під впливом змінного магнітного поля.
• Ротор — рухома обертова частина (електромагніт або постійний магніт), яка живиться постійним струмом і створює магнітне поле, потрібне для індукції.

4. Чи згодні ви з висловом «генератор створює електрику»? Обґрунтуйте свою відповідь.

Відповідь:
Ні, вислів фізично неточний. Генератор не створює нові електричні заряди чи енергію, а лише виконує роботу з перетворення механічної енергії обертання на електричну енергію внаслідок явища електромагнітної індукції.

5. Порівняйте бензинові генератори та промислові джерела електричної енергії. Що спільного вони мають і чим відрізняються? Які перетворення енергії в них відбуваються?

Відповідь:

• Спільне: Робота обох пристроїв базується на явищі електромагнітної індукції; обидва містять статор і ротор для генерування змінного струму.
• Відмінності: Бензинові генератори є мобільними, мають невелику потужність і приводяться в дію двигуном внутрішнього згоряння. Промислові генератори є стаціонарними машинами гігантської потужності, ротори яких обертають гідравлічні чи парові турбіни.
• Перетворення енергії:
  • Бензиновий генератор: Хімічна енергія палива $\rightarrow$ внутрішня енергія газів $\rightarrow$ механічна енергія обертання $\rightarrow$ електрична енергія.
  • Промислові джерела: Механічна енергія води/пари/вітру $\rightarrow$ механічна енергія обертання турбіни $\rightarrow$ електрична енергія.

6. Поясніть, чому промислові генератори неможливо обертати вручну, навіть якщо люди робитимуть це по черзі.

Відповідь:
Промислові генератори мають величезні масивні ротори та віддають у мережу потужність у сотні мегават ($10^6\text{–}10^8\text{ Вт}$). Згідно з правилом Ленца, під час генерування струму виникає потужна магнітна сила гальмування, для подолання якої необхідна колосальна механічна потужність турбін, що в тисячі разів перевищує фізичні можливості людини.

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.

Відповідь:

1. Розвиток розподіленої сонячної генерації: Встановлення фотоелектричних панелей на дахах будівель, що не потребує додаткових земельних ділянок і забезпечує автономність локальних об’єктів.
2. Будівництво вітрових парків: Освоєння височин та відкритих ділянок із постійними вітрами для стабільного екологічного виробництва енергії.
3. Встановлення систем промислового накопичення енергії (BESS): Акумуляторні системи накопичення дозволяють згладжувати добові коливання генерації від ВЕС та СЕС.
4. Термомодернізація та підвищення енергоефективності мереж: Зниження втрат під час транспортування та споживання енергії є найбільш економічним способом компенсації дефіциту потужності.

Top Skills: Робота з інформацією

1. Як має рухатися магніт відносно котушки, щоб кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, збільшувалась?

Відповідь:
Магніт повинен наближатися до котушки або вводитися в її порожнину.

2. Як котушка взаємодіє з магнітом, коли він наближається до неї?

Відповідь:
Котушка відштовхує магніт. Індукційний струм, що виникає в котушці, створює власне магнітне поле з однойменним полюсом на ближньому до магніту торці, що й зумовлює відштовхування.

3. Як змінився б результат досліду, якби магніт наближали північним полюсом до котушки? Виконайте пояснювальний рисунок та обґрунтуйте відповідь.

Відповідь:
За правилом Ленца, індукційний струм своїм магнітним полем завжди протидіє причині, що його викликає. При наближенні північного полюса ($N$) на ближньому торці котушки також утвориться північний полюс ($N$), і котушка знову відштовхуватиметься від магніту. Проте напрямок ліній індукційного струму у витках зміниться на протилежний порівняно з наближенням південного полюса ($S$).

4. На пристрої з двома алюмінієвими кільцями (суцільним і розрізаним) на коромислі:
1) Як поводитиметься суцільне кільце, якщо: а) підносити до нього магніт; б) відсувати від нього магніт?
2) Як напрямлений індукційний струм у суцільному кільці в кожному випадку?
3) Що відбуватиметься, якщо магніт підносити до розрізаного кільця?

Відповідь:

1. а) Під час піднесення магніту суцільне кільце відштовхується від нього, і коромисло повертається; б) під час віддалення магніту кільце притягується до нього і рухається слідом за магнітом.
2. Під час піднесення магніту в кільці виникає струм, магнітне поле якого спрямоване назустріч полю магніту (відштовхування). Під час віддалення магніту напрямок індукційного струму змінюється на протилежний, утворюючи поле, спрямоване в той самий бік, що й поле магніту (притягання).
3. Розрізане кільце залишатиметься нерухомим, оскільки через розріз електричне коло розімкнене, струм у ньому не виникає, і взаємодія з магнітом відсутня.

5. Котушка й алюмінієве кільце розміщені на спільному осерді. Визначте напрямок індукційного струму в кільці, якщо ключ замкнути. Як поводитиметься кільце в момент замикання ключа?

Відповідь:

• Напрямок струму: У момент замикання струм у котушці наростає від нуля, створюючи зростаюче магнітне поле. За правилом Ленца, у кільці виникає індукційний струм протилежного напрямку відносно струму в котушці (по передній частині кільця струм тече вниз).
• Поведінка кільця: У момент замикання кільце різко відштовхнеться від котушки вздовж спільного осердя внаслідок взаємодії зустрічних магнітних полів.