Эксперимент, страница 202 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

Проведите опыты с катушкой и постоянным магнитом, изображенные на рисунках 238, а также с использованием электромагнита. Сравните выводы, полученные в результате опыта, с выводами в тексте учебника.

Рис. 238. Направление и сила индукционного тока зависит от направления и скорости движения магнита

Данные эксперименты демонстрируют явление электромагнитной индукции. Суть явления заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Рассмотрим каждый случай, представленный на рисунках, и опыт с электромагнитом.

а) Извлечение магнита из катушки
В этом опыте постоянный магнит, находящийся внутри катушки, вынимают из неё, двигая вправо. Северный полюс (N) магнита, который был внутри, создает магнитное поле, силовые линии которого выходят из него и направлены влево, пронизывая витки катушки. При движении магнита вправо количество линий магнитной индукции, проходящих через катушку, уменьшается. Следовательно, магнитный поток, направленный влево, убывает.
Согласно правилу Ленца, возникающий в катушке индукционный ток создаст собственное магнитное поле, которое будет стремиться скомпенсировать это уменьшение. То есть, индуцированное магнитное поле будет направлено туда же, куда и поле магнита — влево. Левый конец катушки станет северным полюсом (N).
Применяя правило правой руки (если направить большой палец правой руки по направлению индукционного магнитного поля, то согнутые пальцы укажут направление индукционного тока в витках), определим, что ток в передней части витков катушки будет течь вверх. Это приводит к отклонению стрелки гальванометра, что и показано на рисунке (вправо).

Ответ: При извлечении магнита из катушки в ней возникает индукционный ток, направление которого таково, что магнитное поле катушки препятствует уменьшению магнитного потока.

б) Вдвигание магнита в катушку
В этом опыте магнит вдвигают в катушку северным полюсом (N) вперёд. Магнитный поток, создаваемый магнитом и пронизывающий катушку, снова направлен влево. Так как магнит приближается, этот магнитный поток увеличивается.
По правилу Ленца, индукционный ток создаст магнитное поле, препятствующее этому увеличению. Следовательно, индуцированное магнитное поле будет направлено в противоположную сторону — вправо. Правый конец катушки станет северным полюсом (N), а левый — южным (S). Катушка будет отталкивать магнит.
Снова применив правило правой руки, определим, что для создания магнитного поля, направленного вправо, ток в передней части витков катушки должен течь вниз. Это направление тока противоположно случаю (а), поэтому стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону (влево), что и показано на рисунке.

Ответ: При вдвигании магнита в катушку в ней возникает индукционный ток, направление которого противоположно току, возникающему при извлечении магнита. Магнитное поле этого тока препятствует увеличению внешнего магнитного потока.

в) Магнит неподвижен
В этом случае магнит находится в покое относительно катушки ($v=0$). Магнитное поле постоянного магнита пронизывает катушку, создавая в ней магнитный поток. Однако, поскольку нет относительного движения, этот магнитный поток постоянен во времени, он не изменяется.
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что ток возникает только при *изменении* магнитного потока. Так как изменение потока равно нулю ($\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} = 0$), индукционная ЭДС и индукционный ток не возникают.
Гальванометр показывает нулевое значение, что подтверждает отсутствие тока в цепи.

Ответ: Если магнит и катушка неподвижны относительно друг друга, магнитный поток через катушку не изменяется, и индукционный ток не возникает.

Опыт с электромагнитом
Если заменить постоянный магнит электромагнитом (второй катушкой, подключенной к источнику тока), мы можем наблюдать явление электромагнитной индукции не только при механическом перемещении, но и при изменении силы тока в первой катушке (электромагните).
1. При замыкании цепи электромагнита сила тока в нём нарастает от нуля до некоторого значения. Это создает растущее магнитное поле и, следовательно, изменяющийся магнитный поток через вторую катушку, что приводит к кратковсременному появлению в ней индукционного тока.
2. При размыкании цепи сила тока в электромагните падает до нуля. Его магнитное поле исчезает, что снова приводит к изменению магнитного потока и появлению кратковременного индукционного тока во второй катушке, но уже в противоположном направлении.
3. При изменении силы тока в цепи электромагнита с помощью реостата во второй катушке также возникает индукционный ток, который существует до тех пор, пока меняется ток в первой катушке.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникает не только при движении постоянного магнита, но и при любом изменении магнитного поля, создаваемого, например, электромагнитом, что можно осуществить, изменяя силу тока в его цепи.

Сравнение выводов с текстом учебника
Результаты всех проведенных опытов полностью согласуются с фундаментальными законами электромагнетизма, изложенными в учебниках физики.
1. Сам факт возникновения тока при изменении магнитного потока является экспериментальным подтверждением явления электромагнитной индукции.
2. Наблюдения подтверждают закон Фарадея для электромагнитной индукции, который гласит, что ЭДС индукции $\mathcal{E}_{ind}$ в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока $\Phi_B$ через поверхность, ограниченную этим контуром:
$\mathcal{E}_{ind} = - \frac{d\Phi_B}{dt}$
Чем быстрее движется магнит (или изменяется ток в электромагните), тем больше скорость изменения потока и, следовательно, тем больше ЭДС и сила индукционного тока (что проявится в большем отклонении стрелки гальванометра). Если поток не меняется (случай в), то ЭДС равна нулю.
3. Направление индукционного тока в каждом случае соответствует правилу Ленца, согласно которому индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток. Знак "минус" в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.

Ответ: Выводы, полученные в результате опытов, полностью подтверждают теоретические положения учебника: существование явления электромагнитной индукции, закон Фарадея и правило Ленца. Эксперимент показывает, что направление и сила индукционного тока зависят от направления и скорости изменения магнитного потока.