Номер 1, страница 168, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Экспериментируйте

Воспроизведите опыты Фарадея, воспользовавшись катушкой, мультиметром и постоянным магнитом. Обратите внимание на факторы, оказывающие влияние на величину и направление индукционного тока.

Для воспроизведения опытов Фарадея по электромагнитной индукции необходимо собрать установку, состоящую из катушки, подключенной к мультиметру в режиме измерения малых токов (микроамперметр или миллиамперметр), и постоянного магнита. Суть явления электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре (катушке) при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Опыты позволяют выявить факторы, влияющие на величину и направление этого индукционного тока.

Факторы, влияющие на величину индукционного тока

Величина индукционного тока, регистрируемого мультиметром, зависит от нескольких факторов, которые определяют скорость изменения магнитного потока ($ \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $) и параметры самой катушки. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, ЭДС индукции $ \mathcal{E} $ пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ \mathcal{E} = -N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $. Индукционный ток $ I_{ind} $ определяется по закону Ома для полной цепи: $ I_{ind} = \frac{\mathcal{E}}{R} $, где $ R $ – полное сопротивление цепи.

1. Скорость относительного движения магнита и катушки. Чем быстрее вдвигать магнит в катушку или выдвигать его из нее, тем больше будет отклонение стрелки мультиметра (или показания на его цифровом дисплее). Это связано с тем, что при быстром движении магнитный поток через катушку изменяется за более короткий промежуток времени ($ \Delta t $ уменьшается), что приводит к увеличению ЭДС индукции и, следовательно, индукционного тока. Если магнит и катушка неподвижны относительно друг друга, ток не возникает, так как магнитный поток не изменяется.

2. Сила магнита. Использование более сильного магнита (с большей индукцией магнитного поля) при той же скорости движения приводит к возникновению большего индукционного тока. Сильный магнит создает больший магнитный поток ($ \Phi $), и его изменение ($ \Delta \Phi $) также будет больше, что увеличивает ЭДС индукции.

3. Количество витков в катушке. Если использовать катушку с большим числом витков ($ N $), то при прочих равных условиях индукционный ток будет больше. Это объясняется тем, что ЭДС индукции прямо пропорциональна числу витков в катушке.

4. Наличие железного сердечника. Если внутрь катушки поместить сердечник из ферромагнитного материала (например, из мягкого железа), то индукционный ток при движении магнита значительно возрастет. Сердечник концентрирует линии магнитного поля, увеличивая магнитный поток через катушку в несколько раз.

Факторы, влияющие на направление индукционного тока

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца, которое является следствием закона сохранения энергии. Согласно этому правилу, возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

1. Направление движения магнита.

- Если вдвигать в катушку магнит северным полюсом ($ N $), мультиметр покажет ток одного направления. Создаваемое током магнитное поле катушки будет отталкивать магнит, то есть у катушки со стороны магнита образуется также северный полюс.

- Если выдвигать из катушки северный полюс ($ N $) магнита, мультиметр покажет ток противоположного направления. Магнитное поле тока будет стремиться удержать магнит, притягивая его, то есть у катушки образуется южный полюс ($ S $).

2. Полярность магнита.

- Если повторить опыты с южным полюсом ($ S $) магнита, направления токов будут противоположны тем, что наблюдались при использовании северного полюса при тех же движениях. Например, при вдвигании южного полюса ($ S $) в катушку, она будет его отталкивать, создавая со своей стороны также южный полюс. Направление тока будет таким же, как при выдвигании северного полюса.

Таким образом, направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток через катушку, и от направления внешнего магнитного поля.

Ответ:

Величина индукционного тока зависит от:

- скорости относительного движения магнита и катушки (чем выше скорость, тем больше ток);

- силы магнита (более сильный магнит создает больший ток);

- числа витков в катушке (чем больше витков, тем больше ток);

- наличия ферромагнитного сердечника (сердечник увеличивает ток).

Направление индукционного тока зависит от:

- направления движения магнита (вдвигание и выдвигание создают токи противоположных направлений);

- полюса магнита, которым осуществляется взаимодействие (замена полюса на противоположный при том же движении меняет направление тока на обратное).