Номер 31.1, страница 220 - гдз по физике 10-11 класс задачник Гельфгат, Генденштейн

Упражнения. 31. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Магнитное поле. Электродинамика - номер 31.1, страница 220.

Условие.

31.1. Мягкая металлическая пружина висит, погрузившись нижним концом в ртуть на небольшую глубину (см. рисунок). Что произойдет после замыкания ключа?

Решение. Как только через пружину пойдет ток, соседние витки притянутся, в результате чего пружина сожмется. Если ток достаточно велик, нижний конец пружины выйдет из ртути и цепь разомкнется. Притяжение витков исчезнет, пружина расправится, замыкая цепь, и весь процесс повторится, т. е. в системе возникнут автоколебания. Если же нижний конец пружины при пропускании тока не выходит из ртути, то колебания не возникнут.

Решение.

Решение

При замыкании ключа в цепи, состоящей из источника тока, пружины и ртути, возникает электрический ток. Поскольку пружина металлическая, а ртуть является жидким металлом и хорошим проводником, ток проходит по виткам пружины и через ртуть, замыкая цепь.

Пружина, по виткам которой течет ток, функционирует как соленоид. Ток в соседних витках пружины течет в одном и том же направлении. Согласно закону Ампера, два параллельных проводника с токами, текущими в одном направлении, притягиваются друг к другу. Следовательно, между витками пружины возникнет сила магнитного притяжения.

Это взаимное притяжение витков приведет к тому, что пружина сожмется, и ее длина уменьшится. Дальнейшее поведение системы зависит от силы тока, жесткости пружины и глубины ее погружения в ртуть. Возможны два основных сценария:

1. Если сила тока достаточно велика, а пружина достаточно мягкая, то возникшая магнитная сила сжатия окажется достаточной, чтобы пружина сократилась настолько, что ее нижний конец поднимется над поверхностью ртути. В этот момент электрическая цепь разомкнется, и ток в пружине прекратится. С исчезновением тока пропадет и магнитное поле, а значит, и сила притяжения между витками. Под действием силы упругости и силы тяжести пружина начнет распрямляться. Распрямившись, она своим нижним концом снова коснется ртути, и цепь замкнется. Процесс повторится циклически: потечет ток, пружина сожмется, цепь разомкнется, пружина разожмется, цепь замкнется, и так далее. В системе возникнут незатухающие механические колебания (автоколебания). Подобный принцип используется, например, в работе электрического звонка.

2. Если сила тока мала или пружина слишком жесткая, то сила магнитного притяжения между витками будет недостаточна, чтобы поднять нижний конец пружины из ртути. В этом случае пружина сожмется до нового положения равновесия, в котором сила упругости и сила тяжести будут уравновешены магнитной силой, и останется в этом сжатом состоянии, пока ключ замкнут. Колебаний в этом случае не возникнет.

Ответ: После замыкания ключа по пружине потечет ток, в результате чего соседние витки начнут притягиваться друг к другу, и пружина сожмется. Если это сжатие приведет к размыканию цепи (нижний конец пружины выйдет из ртути), то в системе возникнут автоколебания. Если же сжатие будет недостаточным для размыкания цепи, пружина просто останется в новом, более сжатом, положении равновесия.