Номер 3, страница 45 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

3. Металлическое кольцо может свободно двигаться по сердечнику катушки, включенной в цепь постоянного тока (рис. 2.14). Что будет происходить в моменты замыкания и размыкания цепи?

В основе явления, описанного в задаче, лежит закон электромагнитной индукции и правило Ленца. Поведение металлического кольца будет различным в моменты замыкания и размыкания цепи, так как в эти моменты происходит изменение магнитного потока, пронизывающего кольцо.

В момент замыкания цепи

При замыкании цепи ток в катушке начинает нарастать от нуля до своего установившегося значения. Нарастающий ток создает вокруг себя увеличивающееся во времени магнитное поле. Это переменное магнитное поле, в свою очередь, создает изменяющийся (увеличивающийся) магнитный поток $\Phi$ через площадь, ограниченную металлическим кольцом.

Согласно закону электромагнитной индукции, изменение магнитного потока вызывает в кольце индукционный ток $I_{инд}$. По правилу Ленца, этот индукционный ток создает собственное магнитное поле $B_{инд}$, которое направлено так, чтобы противодействовать причине его возникновения, то есть увеличению внешнего магнитного потока. Таким образом, магнитное поле, созданное индукционным током в кольце, будет направлено противоположно магнитному полю катушки.

Два проводника (виток катушки и кольцо) с противоположно направленными токами отталкиваются. Это эквивалентно взаимодействию двух магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Возникающая сила отталкивания заставит металлическое кольцо сдвинуться от катушки.

Ответ: В момент замыкания цепи металлическое кольцо оттолкнется от катушки.

В момент размыкания цепи

Перед размыканием цепи по катушке течет постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле. Магнитный поток через кольцо не меняется, и индукционный ток в нем равен нулю.

При размыкании цепи ток в катушке начинает убывать до нуля. Это приводит к уменьшению создаваемого им магнитного поля и, следовательно, к уменьшению магнитного потока $\Phi$ через кольцо.

Убывающий магнитный поток вновь вызывает в кольце индукционный ток $I_{инд}$. Согласно правилу Ленца, магнитное поле $B_{инд}$ этого тока будет направлено так, чтобы воспрепятствовать уменьшению внешнего магнитного потока. Для этого поле индукционного тока должно быть сонаправлено с полем катушки, как бы "поддерживая" его.

Два проводника с сонаправленными токами притягиваются. Это эквивалентно взаимодействию двух магнитов, обращенных друг к другу разноименными полюсами. Возникающая сила притяжения заставит кольцо сдвинуться по направлению к катушке.

Ответ: В момент размыкания цепи металлическое кольцо притянется к катушке.