Явление электромагнитной индукции (качественные задачи)

Задача 5

Условие

На железном стержне намотаны две катушки изолированного медного провода А и Б. Катушка А подключена к источнику с ЭДС \xi и внутренним сопротивлением r , как показано на рисунке. Катушка Б замкнута на амперметр малого сопротивления. Ползунок реостата передвигают влево. В каком направлении протекает при этом ток через амперметр, подключённый к катушке Б? Ответ обоснуйте, указав, какие явления и закономерности Вы использовали для объяснения.

s1_t5 Решение

1. При протекании электрического тока по катушке А в пространстве возникает магнитное поле, которое пронизывает сердечник из железа, создавая в нём магнитный поток \Phi_1 . Сердечник с намотанной на него катушкой А образует электромагнит. При этом, исходя из обозначений полюсов источника и правила буравчика, у левого торца катушки А находится северный полюс этого магнита (см. рисунок).

s1_t5_2 2. При движении ползунка влево число витков реостата, включённых в цепь, уменьшается, следовательно R=\rho \frac{l}{S} уменьшается сопротивление внешнего участка цепи источника В, а сила тока в катушке А по закону Ома I=\frac{\varepsilon}{R+r} — возрастает. 3. Возрастание силы тока в катушке А приводит к возрастанию создаваемого им магнитного потока, который также пронизывает и катушку Б. 4. Возрастание магнитного потока сквозь катушку Б, замкнутую на амперметр, приводит по закону электромагнитной индукции ( \varepsilon_i=-\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} ) к возбуждению в ней индукционного тока, который, по правилу Ленца, возникает такого направления (через амперметр — слева направо), чтобы своим магнитным потоком компенсировать увеличение магнитного потока сквозь катушку Б.

Ответ: при перемещении ползунка реостата влево через амперметр протекает ток, направленный вправо.

Задача 6

Условие

Многовитковая катушка медного провода подключена к источнику тока через реостат. Вблизи торца катушки на шёлковых нитях подвешено замкнутое медное кольцо с малым сопротивлением. Ось кольца совпадает с осью катушки (см. рис.). Опишите, как начнёт двигаться кольцо (притянется, оттолкнётся или останется неподвижным относительно катушки), если движок реостата резко сдвинуть вниз в крайнее положение. Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения.

s1_t6 Решение

Ток в цепи идет от плюса источника тока к минусу. В ближних к наблюдателю участках витков катушки ток будет идти вниз. Если по катушке течет ток, она создает магнитное поле. По правилу правой руки вектор магнитной индукции катушки с током направлен вправо. Величина магнитного поля пропорциональна силе тока в катушке.

Ток в цепи определяется по закону Ома: I=\frac{\xi}{R_p+r+R_{np}} , где R_p - сопротивление реостата, r - внутренне сопротивление источника тока, R_{np} - сопротивление проводов. При смещении движка реостата вниз его сопротивление вырастет, из-за чего ток в цепи уменьшится, следовательно, магнитное поле, создаваемое катушкой, тоже уменьшится.

Через кольцо проходит магнитный поток \Phi=BS\cos\alpha . Из-за изменения магнитного поля меняется поток через кольцо. При изменении потока, по закону Фарадея, в кольце возникает ЭДС индукции \varepsilon_i=-\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} . В медном кольце по закону Ома возникает индукционный ток. При протекании индукционного тока по кольцу возникает индукционное поле B_i , которое, по правилу Ленца, будет сонаправлено с внешним магнитным полем, т.к. то уменьшается. Поскольку поля, создаваемые катушкой и кольцом направлены в одну сторону, на ближайших торцах будут разноименные магнитные полюса (у кольца справа северный полюс, а на левом торце катушки - южный полюс). Разноименные полюса притягиваются, поэтому кольцо притянется к катушке.

Задача 7

Условие

Электрическая цепь состоит из двух лампочек, двух диодов и витка провода, соединённых, как показано на рисунке. (Диод пропускает ток только в одном направлении, как показано в верхней части рисунка). Какая из лампочек загорится, если от витка отдалять северный полюс магнита? Ответ объясните, указав, какие явления и закономерности Вы использовали при объяснении.

s1_t7 Решение

Силовые линии магнита \overrightarrow{B} ”выходят” из северного полюса и ”входят” в южный, следовательно, вблизи витка силовые линии магнита направлены влево (см. рис.). При отдалении магнита магнитный поток через кольцо будет уменьшаться, по правилу Ленца, в контуре будет создаваться такой индукционный ток I_i , который будет препятствовать изменению магнитного потока через кольцо, следовательно, вектор магнитной индукции индукционного тока \overrightarrow{B'} направлен также влево. По правилу правой руки определяем направление индукционного тока I_i (см. рис.). Так как диод пропускает ток только в одном направлении, то ток будет течь через левую часть цепи и загорится лампа 1.

s1_t7_2 Задача 8

Условие

Медная замкнутая рамка падает между полюсами магнита (рис.). Для каждого из трёх показанных на рисунке положений рамки определите: а) направление вектора магнитной индукции поля, созданного индукционным током; б) направление индукционного тока в нижней стороне рамки; в) направление равнодействующей приложенных к рамке со стороны магнитного поля сил.

s1_t8 Решение

а) В положении 1 вектор магнитной индукции поля, созданного индукционным током, направлен вправо, в положении 2 индукционного тока нет, в положении 3 вектор магнитной индукции поля, созданного индукционным током, направлен влево.

б) В положении 1 индукционный ток в нижней стороне рамки направлен от нас, в положении 2 сила тока равна нулю, в положении 3 индукционный ток в нижней стороне рамки направлен к нам.

в) В положении 1 равнодействующая направлена вверх, в положении 2 равнодействующая равна нулю (индукционного тока нет), в положении 3 равнодействующая направлена вверх.