Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи1, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов.
1 В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.
Напримep, разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.
Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.
Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.
В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.
Генератор переменного тока.
В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Фm = BS) через каждый виток
ДАНО
S=100 см^2 =100*10^-4 м2
d=3 мм =3*10^-3 м
U=300 B
ε1=1 - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха
ε2=5 - относительная диэлектрическая проницаемость фарфора
ε0 = 8.85*10^-12 Ф/м - электрическая постоянная
W1 - ? ω1 -?
W2 - ? ω2 -?
РЕШЕНИЕ
Энергия поля конденсатора
W=CU^2/2
где
U - разность потенциалов на пластинах конденсатора
С - электроемкость
Емкость конденсатора
C=εε0S/d
W=CU^2/2 = εε0S/d * U^2/2
W1=1*8.85*10^-12*100*10^-4/(3*10^-3) * 300^2/2 =1.3275*10^-6 Дж= 1.33 мкДж
W2=5*8.85*10^-12*100*10^-4/(3*10^-3) * 300^2/2 =6.6375*10^-6 Дж= 6.64 мкДж
Объемная плотность энергии поля конденсатора
ω=W/V
где
W - энергия поля конденсатора
V=Sd- объем, занимаемый полем (объем пространства между пластинами конденсатора )
ω=W/V =W/(Sd)
ω1=1.3275*10^-6 /(100*10^-4*3*10^-3)=0.044 Дж/м3
ω2=6.6375*10^-6 /(100*10^-4*3*10^-3)= 0.221 Дж/м3
ОТВЕТ
W1=1.3275*10^-6 Дж= 1.33 мкДж
W2=6.6375*10^-6 Дж= 6.64 мкДж
ω1=0.044 Дж/м3
ω2=0.221 Дж/м3
если в каком-либо месте (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью v. процесс распространения колебаний в пространстве называется волной.
частицы среды, в которой распространяется волна, не вовлекаются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. в зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны, различают продольные и поперечные волны.
продольная волна – это волна, в которой частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны.
поперечная волна - это волна, в которой частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны.
поперечные волны могут возникать лишь в среде, сопротивлением сдвигу. поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. в твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн.
на рисунке показано движение частиц при распространении в среде поперечной волны. номерами 1, 2 и т.д. обозначены частицы, отстоящие друг от друга на расстоянии 1/4 vt, т.е. на расстояние, проходимое волной за четверть периода колебаний, совершаемых частицами. в момент времени, принятый за нулевой, волна, распространяясь вдоль оси слева направо, достигла частицы 1, вследствие чего частица начала смещаться из положения равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. спустя четверть периода частица 1 достигнет крайнего верхнего положения; одновременно начинает смещаться из положения равновесия частица 2. по прошествии еще четверти периода частица 1 будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз, вторая частица 2 достигнет крайнего верхнего положения, а частица 3 начнет смещаться вверх из положения равновесия. в момент времени, равный t, частица 1 закончит полный цикл колебания, и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент времени. волна к моменту времени t, пройдет путь vt и достигнет частицы 5.
на рисунке показаны колебания частиц, положения, равновесия которых лежат на оси x. в действительности колеблются не только частицы, расположенные вдоль оси x, а совокупность частиц в некотором объеме. распространяясь от источника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и новые части пространства.
место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны (или волновым фронтом).
место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченного волновым процессом. следовательно, волновых поверхностей существует бесконечное множество, в то время как волновой фронт каждый момент времени только один. волновые поверхности могут быть любой формы. в простейших случаях они имеют форму плоскости или сферы. соответственно волна в этих случаях называется плоской или сферической.
расстояние , на которое распространяется волна за время, равное периоду колебания частиц среды, называется длиной волны. очевидно, что:
где v- скорость волны, t- период колебаний. длину волны можно определить также как расстояние между ближайшими точками среды, колеблющихся с разностью фаз, равной 2p. заменив t через , где v - частота колебаний, получим связь между длиной волны, частотой колебаний и скоростью распространения волны: