§ 16. ЯВИЩЕ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ. ПРОМИСЛОВІ ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Але як генератор «створює» електрику?

Генератор не створює енергію з нічого, а перетворює механічну енергію обертання в електричну за допомогою явища електромагнітної індукції. Під час обертання змінюється кількість ліній магнітної індукції, що пронизують замкнений контур, створюючи в ньому електричний струм.

Звідки береться струм, якщо відомо, що всередині генератора є магніт та обертова рамка з великою кількістю витків?

Струм виникає завдяки явищу електромагнітної індукції внаслідок відносного руху магніту та рамки: під час обертання рамки в магнітному полі постійно змінюється кількість ліній магнітної індукції, які пронизують її витки, що й зумовлює появу індукційного струму.

Обговоріть у парах, які явища, на вашу думку, можуть зумовлювати виникнення струму, а потім перевірте свої припущення, опрацьовуючи цей параграф.

Виникнення електричного струму в даному випадку зумовлюється явищем електромагнітної індукції, тобто появою індукційного струму в замкненому провіднику в разі зміни магнітного поля, яке пронизує цей контур.

Спробуйте сформулювати своїми словами, за якої умови в замкненому контурі, що перебуває в магнітному полі, виникає електричний струм.

Електричний струм у замкненому провідному контурі виникає за умови зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром.

Чи буде кількість ліній магнітної індукції, що пронизують рамку, однаковою в різних її положеннях, наприклад у положеннях 1 і 2?

Ні, кількість ліній магнітної індукції не буде однаковою: у положенні 1 (коли площина рамки перпендикулярна до ліній індукції) ця кількість є найбільшою, а в положенні 2 (коли площина рамки паралельна лініям індукції) кількість ліній, що пронизують рамку, дорівнює нулю.

У якому положенні ця кількість є наибольшою?

Кількість ліній магнітної індукції є найбільшою у положенні 1, коли площина рамки розташована перпендикулярно до ліній магнітної індукції.

Чи можна очікувати появу індукційного струму під час обертання рамки? Поясніть свою думку.

Так, під час обертання рамки виникає індукційний струм, оскільки внаслідок зміни кута повороту рамки постійно змінюється кількість ліній магнітної індукції, що пронизують її контур.

Іноді можна почути, що за принципом дії генератор — це електричний двигун «навпаки». Як ви розумієте цей вислів?

Електричний двигун споживає електричну енергію та перетворює її на механічну обертальну роботу, тоді як генератор виконує протилежне перетворення — перетворює механічну енергію обертання ротора на електричну енергію.

А ЯК НАСПРАВДІ?

Хто, на вашу думку, має рацію?

Рацію мають Тарасик та Олена. У гібридних автомобілях електродвигун виконує обидві функції: під час прискорення він працює як двигун і допомагає авто розганятися, а під час гальмування працює в режимі генератора (рекуперативне гальмування), перетворюючи кінетичну енергію на електричну та забезпечуючи гальмування машини.

Назвіть 5 альтернативних джерел електричної енергії.

П’ять альтернативних джерел електричної енергії: сонячне випромінювання, вітер, енергія водного потоку річок, біопаливо та геотермальне тепло.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Опишіть досліди М. Фарадея.

У дослідах М. Фарадея використовують котушку, замкнену на гальванометр. Під час введення магніту в котушку або виведення з неї (або під час руху котушки відносно магніту) стрілка гальванометра відхиляється, що свідчить про виникнення електричного струму. Коли рух припиняється, струм у котушці також зникає, а стрілка приладу повертається на нуль.

2. У чому полягає явище електромагнітної індукції?

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

3. Який струм називають індукційним?

Індукційним (або наведеним) струмом називають електричний струм, який виникає в замкненому провідному контурі внаслідок зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують цей контур.

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

На явищі електромагнітної індукції ґрунтується робота генераторів індукційного струму, індукційних варильних панелей та трансформаторів. У генераторах індукційного струму відбувається перетворення механічної енергії на електричну енергію.

5. Поясніть, чому під час обертання рамки (див. рис. 16.3) лампа світиться.

Під час обертання провідної рамки в магнітному полі постійного магніту кількість ліній магнітної індукції, що її пронизують, постійно змінюється. Ця зміна спричиняє появу індукційного електричного струму в рамці, внаслідок чого під’єднана до неї лампа світиться.

6. Опишіть будову та принцип дії генераторів індукційного струму.

Основними складниками генератора індукційного струму є джерело магнітного поля (постійний магніт або електромагніт) та провідна обмотка. Принцип дії генератора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: під час відносного обертання обмотки та джерела магнітного поля кількість ліній магнітної індукції, що пронизують обмотку, постійно змінюється, унаслідок чого в обмотці виникає індукційний електричний струм.

7. Як працюють промислові джерела електричної енергії?

Промислові джерела електричної енергії є потужними генераторами індукційного струму, основними частинами яких є нерухомий статор із товстою мідною обмоткою та ротор із власною обмоткою, що обертається всередині статора і створює магнітне поле. Обертання ротора забезпечується механічною енергією водяної пари (на ТЕС і АЕС), падаючого водного потоку (на ГЕС) або вітру (на ВЕС), унаслідок чого в обмотці статора постійно змінюється магнітне поле та виникає індукційний електричний струм.

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

Традиційні джерела енергії використовують викопне паливо (вугілля, нафту, природний газ), запаси якого є вичерпними, а спалювання супроводжується викидами парникових газів. Альтернативні джерела енергії об’єднують усі способи отримання енергії без використання викопного палива (сонячна, вітрова, гідроенергія тощо). Відновлювані джерела енергії — це джерела, ресурси яких природно поновлюються з часом і практично не вичерпуються (енергія сонця, вітру, водних потоків, біопаливо).

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

Правильні відповіді: А, Б, В, Д. Індукційний струм виникає за будь-якого відносного руху котушки та магніту, оскільки при цьому змінюється кількість ліній магнітної індукції, що пронизують контур котушки.

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°
Б 180°
В 45°
Г 90°

Правильні відповіді: А, Б. Коли площина рамки паралельна лініям магнітної індукції (кут дорівнює 0° або 180°), лінії магнітної індукції ковзають уздовж поверхні рамки і не пронизують її.

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

Основними складниками генератора індукційного струму є статор і ротор.
Статор — це нерухома частина генератора, у якій розміщено обмотку, де під дією змінного магнітного поля індукується електричний струм.
Ротор — це рухома частина генератора з обмоткою, до якої подається струм від джерела постійного струму для створення магнітного поля, що пронизує обмотку статора під час обертання.

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

Цей вислів є фізично некоректним. Генератор не створює електричні заряди, а лише перетворює механічну енергію обертання на електричну енергію за допомогою 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?

Спільним для бензинових генераторів та промислових джерел електричної енергії є принцип дії, який ґрунтується на явищі електромагнітної індукції, а також наявність основних конструктивних елементів — статора та ротора.
Відмінності полягають у габаритах, потужності та джерелах механічної енергії: бензинові генератори є мобільними пристроями невеликої потужності, що приводяться в рух двигуном внутрішнього згоряння, тоді як промислові генератори є великогабаритними і приводяться в рух потужними паровими, гідравлічними або вітровими турбінами.
У бензиновому генераторі хімічна енергія палива перетворюється на внутрішню та механічну енергію двигуна, а потім на електричну енергію. У промислових джерелах енергія палива, падіння води або вітру перетворюється на механічну енергію обертання турбіни, яка далі перетворюється на електричну енергію.

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

Промислові генератори виробляють великі обсяги електроенергії, тому для подолання сили протидії магнітного поля та значної інерції масивного ротора потрібна потужність у мільйони ват, яку м’язова сила людини забезпечити не здатна.

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.

План розвитку електроенергетики регіону:

1. Встановлення сонячних панелей на дахах приватних та комунальних будівель. Це дозволяє використовувати відновлювану енергію сонця без вилучення нових земельних ділянок і зменшує навантаження на мережу в пікові години.
2. Будівництво вітрових електростанцій у місцевостях із високим вітровим потенціалом. Вітрова енергія є екологічно чистою та відновлюваною, що сприяє зменшенню викидів парникових газів.
3. Модернізація та утеплення існуючих енергомереж і споруд. Зменшення втрат під час транспортування електроенергії підвищує загальну енергоефективність регіону.
4. Впровадження промислових систем накопичення енергії (акумуляторних батарей). Це необхідно для згладжування нерівномірності виробництва електроенергії сонячними та вітровими станціями в різний час доби.

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 всередину неї.

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

Під час наближення магніту до котушки вона відштовхується від нього, оскільки в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що на її ближньому торці утворюється однойменний з магнітом полюс.

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

Під час наближення північного полюса магніту до котушки кількість ліній магнітної індукції, які її пронизують, збільшується. За правилом Ленца, у котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що створює власне магнітне поле, яке протидіє збільшенню зовнішнього магнітного потоку. На торці котушки, повернутому до магніту, виникає північний полюс, тому котушка так само відштовхуватиметься від магніту. Напрямок індукційного струму в котушці буде протилежним до випадку, коли наближали південний полюс.

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) При підношенні магніту суцільне кільце відштовхується від нього, спричиняючи повертання коромисла. б) При відсуванні магніту суцільне кільце притягується до нього та рухається за ним.
2. При підношенні магніту індукційний струм у суцільному кільці створює магнітне поле, повернуте до магніту однойменним полюсом для протидії наближенню. При відсуванні магніту напрямок індукційного струму змінюється на протилежний, створюючи на ближньому боці кільця різнойменний полюс, який притягується до магніту.
3. Якщо магніт підносити до розрізаного алюмінієвого кільця, воно залишатиметься нерухомим, оскільки через наявність розрізу контур не є замкненим, індукційний струм у ньому не виникає, і магнітна взаємодія 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 починає протікати від позитивного полюса джерела до негативного (по передній стінці витків котушки вгору) і зростає від нуля до певного значення. Згідно з правилом правої руки, котушка створює магнітне поле, обраштоване до кільця своїм південним полюсом.

Унаслідок зростання магнітного потоку крізь алюмінієве кільце, за правилом Ленца, у кільці виникає індукційний струм. Напрямок цього індукційного струму є протилежним напрямку струму в котушці (по передньому боку кільця струм тече вниз).

У момент замикання ключа кільце відштовхуватиметься від котушки вздовж осердя, оскільки воно обернене до котушки однойменним магнітним полюсом.