От законов механики к механическим устройствам. (Урок-лекция) (стр. 3 )

§18. Принципы устройства тепловых двигателей.

(Урок-лекция).

Разумный человек приспосабливается к миру; неразумный пытается приспособить мир к себе. Поэтому прогресс зависит от неразумных.

Джордж Бернард Шоу.

На какие типы делятся реальные тепловые двигатели? Каковы основные узлы тепловых двигателей, и какие функции они выполняют? По каким критериям оцениваются тепловые двигатели?

Рабочий ход, холостой ход, шатун, коленчатый вал, маховик, запальная свеча, система зажигания, двухтактный двигатель, четырехтактный двигатель, дизельный двигатель.

Преобразования энергии в тепловых машинах. КПД тепловой машины. (Физика 7-9 классы). Естествознание 10 § 60.

Типы двигателей и их основные узлы.

Во всех тепловых двигателях происходит преобразование тепловой энергии, связанной с движением микрочастиц, составляющих вещество в механическую энергию. Устройства тепловых двигателей непрерывно совершенствуются, поэтому в наши планы не входит изучение каких-либо конкретных двигателей. Однако принципиальные узлы устройств практически остаются неизменными, именно их мы и рассмотрим в данном параграфе.

Все тепловые двигатели можно разделить на два класса – турбинные и поршневые. В турбинных двигателях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, для чего используются сопла, через которые расширяется горячий газ. Этот горячий газ может образовываться в результате кипения воды – паровые турбины, или в результате сгорания топлива – газовые турбины. Поток газа, имеющий большую скорость, направляется на лопасти турбины и, отдавая им энергию, раскручивает вал турбины.

Вал турбины может непосредственно приводить в движение какие-либо механизмы, например, колеса транспорта или винт самолета, или при помощи генератора вырабатывать электрическую энергию, что происходит на теплоэлектростанциях.

Значительно сложнее устройство поршневых двигателей, с которых начался технический прогресс в теплоэнергетике. Основу таких двигателей составляют цилиндр и поршень. Горячий газ, расширяясь в цилиндре, толкает поршень, подобно тому, как это изображено на Рис.4 §16. Однако нагревать и охлаждать газ через стенки цилиндра, как это изображено на рисунке не эффективно. Вместо этого используется один из двух способов.

В первом способе газ нагревается в отдельном устройстве, после чего подается в цилиндр. Такой способ реализован в паровом двигателе, где, при сжигании в топке топлива, в паровом котле в результате кипения образуется водяной пар с высоким давлением, который через систему труб подается в цилиндр.

Во втором способе топливо в виде смеси газов, или пузырьков жидкости, смешанных с воздухом, (горючая смесь) вводится внутрь цилиндра, и далее процесс сгорания также происходит внутри цилиндра. Образовавшийся в результате сгорания горячий газ, расширяясь, приводит в движение поршень. Такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания.

Газ совершает работу на одном из участков циклического процесса (Рис. 4 б §16). Чтобы результат работы двигателя сводился к вращению какого-либо вала, что чаще всего требуется от двигателя, используется механизм, состоящий из шатуна и коленчатого вала. Эти элементы изображены на Рис.1. Действие шатуна и коленчатого вала подобно действию ног велосипедиста и педалей.

Рис. 1. Основные узлы поршневых двигателей: а – двигатель с одной рабочей областью, б – двигатель с двумя рабочими областями; 1 – рабочая область цилиндра, 2 – поршень, 3 – шатун, 4 – коленчатый вал, 5 – маховик.

Естественно, что для замыкания цикла необходим обратный ход поршня. Такой ход поршня, при котором газ не совершает работы, называется холостым ходом. Во время холостого хода поршень движется в силу запасенной за рабочий ход механической энергии. Механическая энергия запасается в виде кинетической энергии вращения массивного колеса – маховика, связанного с валом двигателя. Естественно, что при работе такого двигателя будут пульсации – во время рабочего хода вращение маховика будет ускоряться, во время холостого хода - замедляться. Чтобы уменьшить эти пульсации в состав двигателя вводят несколько цилиндров с одним коленчатым валом. Холостой ход одного или нескольких цилиндров приходится на рабочий ход другого или нескольких других цилиндров. В паровом двигателе два цилиндра объединяют в один, вводя пар поочередно то в левую, то в правую рабочие области цилиндра (Рис.1 б).

Ввод и вывод пара в паровом двигателе, а также ввод горючей смеси и вывод отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания осуществляется при помощи управляющей системы, включающей в себя клапаны и другие элементы.

В двигателях внутреннего сгорания горючая смесь перед воспламенением сжимается, что происходит во время обратного хода поршня (на Рис.1 а – движение поршня вверх). Это обеспечивает более эффективную работу двигателя. После сжатия горючая смесь воспламеняется, и начинается рабочий ход поршня. По способу воспламенения двигатели внутреннего сгорания делятся на два типа. В двигателях, включающих в себя систему зажигания, воспламенение горючей смеси происходит под воздействием искры, возникающей вследствие электрического разряда в запальной свече. В таких двигателях используется топливо из легких фракций нефти (бензин) или природный газ, а степень сжатия поршнем невелика (6 – 8 раз). В двигателях другого типа – дизельных двигателях (или просто дизелях) используется горючее из более тяжелых фракций нефти (дизельное топливо), а степень сжатия существенно выше (15 – 20 раз). Вследствие такого сжатия происходит сильный нагрев топливной смеси, и она самовоспламеняется.

Двигатели внутреннего сгорания в зависимости от способа вывода отработанных газов и ввода горючей смеси делятся на два типа. В первом типе двигателя процесс выпуска отработанных газов и впуска горючей смеси происходит в конце рабочего хода двигателя, когда рабочий объем цилиндра максимален. В таком двигателе цикл работы состоит из двух этапов – двух тактов. Первый такт – рабочий ход, второй такт – холостой ход (процесс сжатия горючей смеси). Такой двигатель называется двухтактным, схема его работы изображена на Рис. 2.

Рис. 2. Схема цикла двухтактного двигателя.

В четырехтактном двигателе между тактом – рабочим ходом и тактом – сжатием горючей смеси добавляется еще два такта. Выпуск отработанных газов осуществляется при движении поршня с уменьшением рабочего объема цилиндра (такт аналогичный такту, в котором происходит сжатие смеси). Впуск горючей смеси осуществляется при движении поршня с увеличением рабочего объема (такт, аналогичный такту рабочего хода). Схема работы четырехтактного двигателя изображена на Рис.3.

Рис. 3. Схема работы четырехтактного двигателя.

Достоинства и недостатки двигателей различных типов.

Зачем нужно столько типов двигателей, почему бы ни остановиться на одном наилучшем. Оказывается, что универсального наилучшего двигателя нет, каждый тип обладает определенными достоинствами и недостатками в зависимости от критериев, по которым мы производим оценку. Каковы же эти критерии?

1. Экономичность – получение наибольшей полезной работы при наименьшем количестве топлива. Как вы уже знаете, эта величина характеризуется понятием КПД. Наиболее экономичными являются дизельные двигатели. Четырехтактные двигатели более экономичны, чем двухтактные.

2. Максимально достижимая мощность. По этому показателю выделяются турбинные двигатели.

3. Мощность на единицу веса. В тех случаях, когда двигатель не устанавливается стационарно, как паровая турбина на теплоэлектростанции, а движется вместе с экипажем, этот показатель оказывается весьма важным. Наиболее экономичные дизельные двигатели по этому параметру проигрывают двигателям с системой зажигания. Точно также четырехтактные двигатели, будучи более экономичными, чем двухтактные, при той же мощности весят больше. Поэтому дизельные двигатели используются на достаточно больших движущихся экипажах – большие суда, тепловозы, тракторы, большегрузные автомобили. Четырехтактные двигатели с системой зажигания используются на легковых автомобилях и тяжелых мотоциклах. Двухтактные двигатели используются там, где важно уменьшить вес – мотоциклы, мопеды, самолеты, легкие моторные лодки, бензопилы и другие переносные инструменты.

4. Универсальность топлива. Возможно, этот показатель в ближайшее время окажется весьма важным, поскольку запасы нефти истощаются быстрее, чем запасы угля. По этому показателю выгодно отличаются двигатели, где используется водяной пар – паровые турбины. Паровые поршневые двигатели ввиду их низкого КПД в настоящее время практически не используются. Однако в силу вышеприведенных причин не исключено, что внимание конструкторов вновь обратится к паровым двигателям.

5. Износ механизмов. Все поршневые двигатели работают в пульсирующем режиме, поэтому износ механизмов в них происходит быстрее, чем в турбинных двигателях.

Следует отметить, что в настоящее время конструкторская мысль очень быстро изменяет параметры двигателей и их характеристики. Технологические разработки дают возможность использовать новые материалы, обладающие свойствами, которые даже невозможно было представить в недалеком прошлом. Еще относительно недавно система, управляющая впрыском топлива и зажиганием в поршневых двигателях, была чисто механической. На современных автомобилях (и, естественно, не только на автомобилях) работой такой системы управляет микропроцессор – миниатюрная электронно-вычислительная машина, что позволяет регулировать работу системы в зависимости от внешних факторов, а также осуществлять постоянную детальную диагностику работы двигателя и выводить результаты на дисплей, подобный экрану монитора компьютера.

Тепловые двигатели подразделяются на турбинные и поршневые. Поршневые двигатели подразделяются на паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на двигатели с системой зажигания и дизельные двигатели. Кроме того, двигатели внутреннего сгорания подразделяются на двухтактные двигатели и четырехтактные двигатели. Каждый тип двигателя обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими целесообразность его использования для тех или иных целей.

1. · Почему паровой двигатель обладает более низким КПД, чем двигатель внутреннего сгорания?

2. · Как правило, чем мощнее двигатель, тем большее число цилиндров он содержит. Чем это можно объяснить?

3. * Нужно ли стремиться сделать двигатель по параметрам как можно ближе к идеальному тепловому двигателю? В чем недостатки идеального теплового двигателя?

§19. Теплоэнергетика сегодня.

(Урок-семинар).

Проблемы жгучи, ставки впечатляющи. Мы живем в поистине интересные времена, и это вполне объяснимо: мы живем в век величайшей бифуркации человечества.

Эрвин Ласло.

Как человечество производит тепло? Каковы современные проблемы, связанные с производством и сбережением тепла? На сколько лет человечеству хватит традиционных источников тепловой энергетики, и каковы альтернативные источники энергии? Как теплопроизводство и производство энергии связано с глобальными проблемами современности?

Цель семинара: Ознакомиться с современными проблемами, связанными с производством тепла и энергии.

План семинара:

1. Производство тепла. Проблема отопления и сбережения тепла.

2. Ограниченность природных запасов источников энергии и альтернативные источники энергии.

3. Теплоэнергетика и глобальные проблемы современности.

Необходимые источники информации.

Современные проблемы характеризуются в частности тем, что источники информации, которые могут быть рекомендованы, очень быстро устаревают. Многие из книг пятилетней давности становятся уже не актуальными, и представляют интерес лишь для специалистов. Кроме того, во времена бифуркаций (см. эпиграф) ценности многих выходящих книг распознаются не сразу. В результате хорошие книги (так же, как и плохие) выпускаются малыми тиражами и становятся малодоступными. Поэтому при подготовке к данному семинару мы рекомендуем, помимо нескольких, указанных ниже книг, использовать материалы периодических изданий, которые мы также приводим, и некоторые ресурсы интернета. При обращении к периодическим изданиям и ресурсам интернета учтите, что периодические издания, а тем более интернет сайты постоянно изменяются. На смену закрывающимся изданиям и сайтам приходят новые.

Литература:

1. Детская энциклопедия.

2. Кириллин истории науки и техники. - М.: Наука. 1994.

3. Моиссеев далеко до завтрешнего дня... Свободные размышления . М.,: Аспект Пресс, 1994.

4. , , Пределы роста. - М.: Изд-во МГУ, 1991.

5. , , За пределами роста. – М: Изд. группа «Прогресс», 1994.

Журналы: «Мировая экономика и международные отношения», «Россия XXI век», «Бюллетень Центра общественной информации по атомной энергии», «Проблемы экологии России», «Земля и вселенная», «Квант», «Природа», «Техника молодежи», «Древо познания», «Знание сила».

Ресурсы интернет:

http://www. *****,

http://www. /Rus/Government/newsletters/issue1/04.mspx,

http://www. *****/projects/

Тема для обсуждения 1. Человек обогревал свое жилище с тех времен, как научился пользоваться огнем. Но лишь в 20 веке производства тепла стало частью промышленности. Что представляет собой эта промышленность в настоящее время? Какие устройства используются при производстве тепла? Как тепло доставляется к вам в дом?

В последнее время тепло дорожает, и, по-видимому, эта тенденция сохранится. С другой стороны производство современного «умного» оборудования становится более дешевым. Каковы в связи с этим перспективы теплоэнергетики? Что вы знаете о тепло - и энергосберегающих технологиях?

Тема для обсуждения 2. Удорожание тепла связано, в частности, с тем, что человечество стало осознавать, что запасы традиционных источников тепла и топлива для тепловых двигателей ограничены. Существуют оценки, утверждающие, что этих запасов человечеству хватит на срок около 100 лет. Что делать нашим потомкам? Каковы альтернативные источники энергии? Как в настоящее время используется энергия ветра, рек, морских приливов, солнечная энергия? Может ли бензин быть заменен топливом, получаемым из производимого в настоящее время органического вещества? На какие новые виды источников энергии возлагают ученые надежды в настоящее время?

Тема для обсуждения 3. В настоящее время человечество производит все больше тепла в дополнение к тому, что поставляет на Землю Солнце. В связи с этим актуальными становятся глобальные проблемы, связанные с экологией планеты в целом. В частности существует мнение о том, что в силу парникового эффекта климат на Земле может резко измениться. Глобальное потепление может вызвать таяние приполярных льдов и подъем уровня мирового океана. Оценки и данные наблюдений за истинным положением дел в настоящее время весьма противоречивы, а в ряде случаев тенденциозны. Что вы знаете об этих проблемах? Какие шаги предпринимает мировое сообщество, чтобы решить эти проблемы?

Подведение итогов.

Проблемы теплоэнергетики являются в настоящее время одними из самых актуальных. Относительное удорожание источников, поставляющих тепло, по сравнению со стоимостью производства современного оборудования приводит к тому, что целесообразно развивать новые теплосберегающие и энергосберегающие технологии. Актуальной становится проблема строительства жилья, лучше сберегающего тепло.

В настоящее время ученые и инженеры разрабатывают установки для получения тепла и энергии из альтернативных источников. Работы эти, однако, еще далеки до завершения, и сделать ставку на какую-либо одну наиболее перспективную технологию в настоящее время невозможно.

В настоящее время нет убедительных данных, предсказывающих какую-либо глобальную катастрофу в ближайшие десятилетия. Однако существование глобальных проблем не должно уходить из повестки дня современных дискуссий. Мы действительно живем в век величайшей бифуркации человечества. А это означает, что глобальная ситуация на планете может резко измениться. Только благодаря совместным усилиям ученых и общества в целом человечество может пойти по устойчивому пути развития.

§20. Принципы работы электрогенераторов и электродвигателей.

(Урок-лекция).

Получив электричество от магнита, я полагаю, что... мне удастся сконструировать электрическую машину.

М. Фарадей.

Какая фундаментальная сила лежит в основе действия электрогенераторов и электродвигателей? Каковы основные узлы электрогенераторов и электродвигателей? Где используются электродвигатели? В чем преимущества и недостатки электродвигателей по сравнению с тепловыми двигателями?

Сила Лоренца. Коллектор. Щетки.

Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель. Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Электрогенератор. (Физика 7-9 классы). Естествознание 10 § 18.

Идею создания электрической машины выдвинул М. Фарадей. Впоследствии идею Фарадея в жизнь претворяли множество ученых. В числе них российский физик , с именем которого связаны работы, касающиеся применения электродвигателей и электрогенераторов.

Портрет Ленца с цитатой: Если таким образом гальванизм является единственным источником, из которого мы можем черпать механическую силу, то связанные с этим опыты имеют слишком большое значение, для того, чтобы им не были принесены некоторые денежные жертвы, и мы с радостью должны отметить, что Россия раньше всех других стран стала на эту возвышенную точку зрения. .

В те годы, когда высказывал эти мысли (1839 г.), мало кто осознавал, насколько исследования, связанные с электричеством (гальванизмом) окажутся значимыми для практических применений. Именно Ленц за год до этого установил общность явлений, происходящих в генераторах тока и электродвигателях (магнитоэлектрических машинах).

Портрет Ленца.

Фундаментальные законы электродинамики на службе электроэнергетики.

В электроэнергетике электрогенераторы являются устройствами, преобразующими механическую энергию в энергию электромагнитного поля, а электродвигатели – устройствами, преобразующими энергию электромагнитного поля в механическую энергию. Именно Ленц обнаружил обратимость этих явлений. Позднее Лоренц показал, что эти процессы связаны с силой, действующей на электрические заряды, движущиеся в магнитном поле. Об этой силе, которая называется силой Лоренца, мы уже говорили при изучении электромагнитного поля.

Каковы основные характеристики силы Лоренца. Направление этой силы перпендикулярно магнитным линиям и вектору скорости частицы. Эта сила возрастает с увеличением магнитного поля, кроме того, она пропорциональна заряду частицы, скорости частицы и синусу угла между вектором скорости и линией магнитного поля.

Приведем более строгое определение силы Лоренца. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции B. Величина силы Лоренца равна F=quBsina, где a - угол между векторами u и B. Вектор силы перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектор скорости частицы u и вектор B. Чтобы определить направление силы нужно использовать правило буравчика. Ручку буравчика нужно крутить от вектора u к вектору B, тогда поступательное движение буравчика укажет направление силы. На Рис. 1 векторы u и B лежат в плоскости книжной страницы. Тогда, используя правило буравчика, определим, что на Рис. 1а вектор силы Лоренца направлен от страницы на нас, а на Рис. 1б – от нас на страницу. Все сказанное справедливо для положительного заряда. Для отрицательного заряда направление силы Лоренца нужно изменить на противоположное.

Рис. 1.

Действие силы Лоренца объясняет работу двигателя и генератора. Пусть проводник, по которому течет ток, находится в магнитном поле. Ток возникает вследствие движения зарядов (в металлическом проводнике - электронов). На движущиеся заряды будет действовать сила Лоренца, а суммарная сила, действующая на проводник с током, будет слагаться из сил, действующих на все движущиеся заряды. Проводник начнет двигаться, что и приводит к вращению электродвигателя.

Если же проводник двигать в магнитном поле, то на заряды, находящиеся внутри проводника, будет действовать сила Лоренца. В металлическом проводнике положительные заряды, находящиеся на атомных ядрах, не могут свободно перемещаться по проводнику. Отрицательно заряженные электроны начнут двигаться, пока не достигнут границ проводника. В результате на одном конце проводника накопятся положительные, а на другом – отрицательные заряды (Рис. 2).

Рис. 2. Возникновение напряжения на концах проводника, движущегося в магнитном поле.

Проводник становится подобным гальваническому элементу, то есть между его концами возникает напряжение, подобно тому, что имеет место в гальванических источниках питания.

Металлическая рамка и коллектор – основные узлы большинства электродвигателей и электрогенераторов.

Как и в тепловых двигателях, в большинстве электродвигателей механическое движение получается в виде вращения некоторого вала. Для получения вращательного движения служит металлическая рамка, закрепленная так, что она может вращаться вокруг оси, перпендикулярной линиям магнитного поля (Рис. 3).

Рис. 3. Рамка способная вращаться в магнитном поле.

Если рамку начать вращать (например, руками), то в каждой из сторон рамки возникает напряжение. Несложно понять, что стороны 2 и 4 движутся одинаково, и поэтому возникающие вследствие их движения напряжения будут компенсироваться. Наоборот, стороны 1 и 3 всегда движутся в противоположных направлениях, поэтому возникающие вследствие их движения напряжения будут усиливать друг друга. В результате в рамке начнет течь ток. Поскольку через половину периода вращения скорости сторон 1 и 3 изменяются на противоположные, направления тока также изменяется на противоположное. В результате по рамке будет течь переменный ток, имеющий вид синусоиды (Рис. 4).

Рис. 4. Ток во вращающейся замкнутой рамке.

Полученное устройство похоже на генератор переменного тока, но только ток здесь бесполезный, поскольку течет внутри рамки. Чтобы использовать ток для нужд потребителя рамку разрезают и в разрез вставляют устройство, называемое коллектором. Если мы хотим получить переменный ток, то в качестве коллектора следует взять два кольца (Рис. 5).

Рис. 5. Устройство коллектора для генератора переменного тока.

Кольца вращаются вместе с рамкой, а скользящие по ним неподвижные контакты – щетки передают от рамки потребителю. Мы получили простейший генератор переменного тока.

В силу выявленной Ленцем обратимости, если мы не будем вращать рамку, а подадим на нее переменный ток, она сама начнет вращаться. Получается двигатель переменного тока, правда не самый эффективный.

А что будет, если мы подадим на построенный коллектор постоянное напряжение, например, от батарейки? Рамка начнет вращаться, но до определенного положения, при котором напряжения, возникающие в сторонах, 1 и 3 не скомпенсируют друг друга. Это произойдет, когда плоскость рамки окажется перпендикулярной линиям магнитного поля. Как получить вращение, вы, наверное, знаете из курса физики: коллектор нужно сделать в виде двух одинаковых полуколец. После поворота на 1800 полукольца меняются местами, в результате чего через рамку течет тот же ток, что и пол-оборота назад. Вследствие этого силы, действующие на рамку, сохраняют свое направление, и рамка продолжит вращение в ту же сторону.

Применение электрогенераторов и электродвигателей.

Если вы загляните внутрь какого-нибудь реального электродвигателя или электрогенератора, вы не найдете рамки из проводника. Коллектор, если таковой будет присутствовать, окажется не похожим ни на кольца, ни на полукольца. И все же принцип работы любого электродвигателя и электрогенератора такой, как он описан выше. В дополнение к коллекторным двигателям были изобретены двигатели, не содержащие коллектора

Электродвигатели являются самыми распространенными двигателями, как в промышленности, так и в быту. Фактически во всех стационарных установках использование электродвигателей оказывается более выгодным, чем тепловых двигателей. Связано это с тем, что при помощи различных электротехнических устройств работой электродвигателей гораздо удобнее управлять, чем работой тепловых двигателей. Бесколлекторные двигатели более надежны, однако имеют худший показатель по параметру мощность на единицу веса. Поэтому в бытовых электроприборах – различное оборудование на кухне, бытовые электроинструменты, электробритвы используются коллекторные двигатели. Бесколлекторные двигатели в быту используются там, где необходимо точно контролировать скорость вращения – стиральные машины, электроприводы дисководов в компьютерах и магнитофонах.

Электродвигатели используются и на транспорте. В частности, в тепловозах, где основным двигателем является дизельный двигатель, этот двигатель вращает электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, которая затем передается на электродвигатель, непосредственно связанный с колесами. Да и в обычном автомобиле, помимо основного бензинового двигателя используется несколько электродвигателей, самый мощный из которых – стартер служит для того чтобы раскрутить бензиновый двигатель при запуске.

Естественно, у электродвигателей есть и недостатки по сравнению с тепловыми двигателями. Электроэнергию неудобно хранить. При той же самой запасенной энергии вес электрического аккумулятора значительно превосходит вес бака с бензином. Кроме того, электродвигатели проигрывают двигателям внутреннего сгорания по параметру мощность на единицу веса.

В заключение вернемся к высказыванию . Последние слова в нем не потеряли актуальность и в настоящее время. Если мы хотим, чтобы современная Россия не была третьеразрядной страной, «некоторые денежные жертвы» должны быть принесены обществом на алтарь научных исследований.

Фундаментальной силой, позволяющей преобразовывать механическую работу в электроэнергию и электроэнергию в механическую работу, является сила Лоренца. Электродвигатели получили широкое распространение как в промышленности, так и в быту.

1. · Приведите примеры использования электродвигателей в промышленности.

2. * На КПД электродвигателей не распространяется ограничение, обусловленное вторым началом термодинамики. Единственное ограничение, следующее из закона сохранения энергии – КПД должен быть меньше единицы. У хороших электродвигателей КПД близок к единице, но, конечно, не достигает этого идеального значения. Приведите факторы, ограничивающие КПД электродвигателей.

3. * Щетки электродвигателей делаются из графита. Почему их нельзя делать, например, из стали?

§21. Исследование работы электрогенератора и электродвигателя.

(Урок-практикум).

Приезжайте ко мне дорогой соседушко, ей-богу. Откроем что-нибудь вместе, литературой займемся и Вы меня поганенького вычислениям различным поучите.

. Письмо к ученому соседу.

Как работа коллекторного двигателя зависит от величины нагрузки? Как напряжение, даваемое генератором переменного тока, зависит от параметров генератора?

Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель. Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Электрогенератор. (Физика 7-9 классы). Естествознание 10 § 18.

Цель работы: На натурной модели электродвигателя исследовать качественные особенности работы коллекторного электродвигателя. При помощи мультимедийной программы исследовать качественные особенности модели генератора переменного тока.

Оборудование: Персональный компьютер, мультимедийный диск («Открытая физика»), натурная модель электродвигателя, питающаяся от батарейки, источник питания, нить, набор грузов.

План работы: Выполняя последовательно задание, исследовать работу электродвигателя в зависимости от нагрузки. Пользуясь мультимедийной программой исследовать напряжение на выходе генератора в зависимости от размеров рамки и частоты вращения.

В предыдущем параграфе вы изучили принципы работы электродвигателей и электрогенераторов. Очевидно, что их работа зависит как от параметров этих устройств, так и от нагрузки, к которой они подсоединены. Некоторые качественные особенности работы электродвигателей и электрогенераторов мы предлагаем вам исследовать в ходе данной работы.

Задание 1. Изучите модель электродвигателя. Найдите узлы, описанные в предыдущем параграфе (конструктивно они отличаются от тех, что были нарисованы на рисунке).

Задание 2. Подключите электродвигатель к источнику питания. Сжимая пальцами вал двигателя, наблюдайте как изменяется скорость вращения вала в зависимости от нагрузки (силы, сдавливающей вал). Сформулируйте вывод.

Задание 3. Закрепите электродвигатель на краю стола. Привяжите к валу двигателя нить, так чтобы при работе нить наматывалась на вал и поднимала привязанный к ней груз. Изменяйте нагрузку. Убедитесь в правильности выводов, сделанных в предыдущем задании. Меняя нагрузку, добейтесь того, чтобы при подключении источника питания двигатель не работал.

Задание 4. Попробуйте еще больше увеличить нагрузку и добейтесь того, чтобы даже при подключении источника питания нить сматывалась с вала двигателя, а груз опускался. Сформулируйте гипотезу о том, как работает двигатель в этом случае.

Подсказка: Вспомните об обратимости работы электродвигателя и электрогенератора.

Задание 5. Запустите мультимедийную программу, в которой исследуется работа генератора переменного тока. Меняя параметры рамки, убедитесь, что напряжение на выходе генератора зависит только от площади, но не от формы рамки.

Задание 6. При фиксированной частоте вращения (f) исследуйте зависимость напряжения генератора (e) от площади рамки (S) при нескольких значениях площади. Аналогично, при фиксированной площади рамки исследуйте зависимость напряжения от частоты вращения при нескольких значениях частот. Результаты занесите в таблицы (число столбцов определяется числом измерений):

e
S

e
f

Задание 7. Пользуясь таблицами, постройте соответствующие зависимости на графиках и сделайте вывод о характере зависимостей. Попробуйте эти зависимости описать одной математической формулой.