Номер 1, страница 369 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Как объяснить результаты опытов с лёгким алюминиевым кольцом и движущимся магнитом?

1. Как объяснить результаты опытов с лёгким алюминиевым кольцом и движущимся магнитом?
Результаты опытов с алюминиевым кольцом и магнитом объясняются явлением электромагнитной индукции и правилом Ленца. Алюминий является проводником, но не ферромагнетиком, поэтому он не притягивается к неподвижному магниту.
Когда магнит движется относительно замкнутого проводящего кольца, магнитный поток, пронизывающий площадь кольца, изменяется. Согласно закону Фарадея, это изменение магнитного потока ($ \frac{d\Phi}{dt} $) приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции и, как следствие, индукционного тока в кольце.
Направление этого индукционного тока определяется правилом Ленца: индукционный ток создает собственное магнитное поле, которое стремится противодействовать изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Рассмотрим два случая:
1. Приближение магнита к кольцу: Магнитный поток через кольцо увеличивается. Чтобы противодействовать этому увеличению, индукционный ток в кольце создает магнитное поле, направленное против поля постоянного магнита. Это означает, что обращенная к магниту сторона кольца приобретает ту же полярность, что и приближающийся полюс магнита (например, северный полюс против северного). Одноименные полюса отталкиваются, поэтому кольцо будет отталкиваться от магнита.
2. Удаление магнита от кольца: Магнитный поток через кольцо уменьшается. Чтобы противодействовать этому уменьшению, индукционный ток создает магнитное поле, направленное так, чтобы поддержать убывающий поток, то есть в том же направлении, что и поле магнита. В результате обращенная к магниту сторона кольца приобретает противоположную полярность по отношению к удаляющемуся полюсу (например, южный полюс против удаляющегося северного). Разноименные полюса притягиваются, поэтому кольцо будет следовать за магнитом.
Если в кольце есть разрез, оно перестает быть замкнутым контуром. Хотя ЭДС индукции все еще возникает, индукционный ток практически не может течь. Без тока не создается собственное магнитное поле, и, следовательно, нет магнитного взаимодействия между кольцом и магнитом.

Ответ: Взаимодействие движущегося магнита и алюминиевого кольца объясняется возникновением индукционного тока в кольце из-за изменения магнитного потока. Этот ток, согласно правилу Ленца, создает магнитное поле, которое противодействует причине его возникновения (движению магнита), что приводит к отталкиванию при приближении магнита и притяжению при его удалении.

2. Как формулируется правило Ленца?
Правило Ленца определяет направление индукционного тока, возникающего в замкнутом проводящем контуре при изменении пронизывающего его магнитного потока.
Формулировка правила:
Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им собственное магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым этот ток был вызван.
Это означает, что если внешний магнитный поток через контур возрастает, то индукционный ток создаст магнитное поле, направленное против внешнего поля. Если же внешний магнитный поток убывает, то индукционный ток создаст магнитное поле, сонаправленное с внешним, стремясь поддержать его.
Математически правило Ленца выражается знаком "минус" в законе электромагнитной индукции Фарадея:
$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{d\Phi}{dt} $
где $ \mathcal{E}_{i} $ — ЭДС индукции, а $ \frac{d\Phi}{dt} $ — скорость изменения магнитного потока. Знак "минус" указывает на то, что ЭДС индукции (и, следовательно, индукционный ток) направлена так, чтобы препятствовать изменению потока.

Ответ: Индукционный ток в замкнутом контуре имеет такое направление, что его собственное магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.

3. Какова связь пра...
Предположительно, полный вопрос звучит так: "Какова связь правила Ленца с законом сохранения энергии?".
Правило Ленца является прямым следствием фундаментального закона сохранения энергии, примененного к явлениям электромагнитной индукции.
Рассмотрим взаимодействие магнита и контура (как в первом вопросе). Чтобы вызвать индукционный ток, необходимо совершить механическую работу, перемещая магнит относительно контура (или наоборот). Эта работа совершается против силы, возникающей согласно правилу Ленца.
• Если бы индукционный ток не противодействовал, а, наоборот, способствовал причине своего возникновения (например, притягивал бы приближающийся магнит), то возник бы самоподдерживающийся процесс. Малейшее начальное движение привело бы к возникновению тока, который усилил бы это движение, что, в свою очередь, увеличило бы ток, и так далее. Система бы сама себя ускоряла, производя и кинетическую, и электрическую энергию из ничего. Это бы являлось "вечным двигателем" и нарушало бы закон сохранения энергии.
• Правило Ленца гарантирует, что этого не происходит. Сила, создаваемая индукционным током, всегда направлена против движения (в случае приближения) или тормозит удаление (в случае удаления). Поэтому, чтобы поддерживать движение и генерировать индукционный ток, необходимо прикладывать внешнюю силу и совершать механическую работу. Эта механическая работа $ W_{мех} $ преобразуется в электрическую энергию индукционного тока, которая затем, как правило, выделяется в виде тепла в проводнике (согласно закону Джоуля-Ленца, $ Q = I^2Rt $).
Таким образом, правило Ленца обеспечивает выполнение закона сохранения энергии: энергия не создается из ничего, а лишь преобразуется из одной формы (механической) в другую (электрическую, а затем во внутреннюю/тепловую).

Ответ: Правило Ленца является выражением закона сохранения энергии в электромагнитных явлениях. Оно гласит, что индукционный ток противодействует причине своего возникновения, что требует совершения внешней работы для его генерации. Эта работа преобразуется в электрическую энергию тока, обеспечивая тем самым баланс энергии в системе.