Страница 35 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Магнитное поле, созданное возникшим в катушке индукционным током, аналогично магнитному полю полосового магнита. Определите, какие полюсы возникают у катушки (см. рис. 2.5) в указанных двух случаях.

Для определения полюсов магнитного поля, создаваемого индукционным током в катушке, необходимо воспользоваться правилом Ленца. Согласно этому правилу, индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, своим магнитным полем противодействует тому изменению внешнего магнитного потока, которым он вызван.

Рассмотрим два стандартных случая, которые обычно иллюстрируют это явление.

Случай а: Постоянный магнит приближают к катушке северным полюсом.

Когда северный полюс ($N$) магнита приближается к катушке, магнитный поток через витки катушки увеличивается. Согласно правилу Ленца, индукционный ток в катушке создаст собственное магнитное поле, которое будет препятствовать этому увеличению. Для этого магнитное поле катушки должно быть направлено навстречу полю магнита, то есть катушка будет отталкивать магнит. Отталкивание происходит между одноименными полюсами. Следовательно, на торце катушки, обращенном к магниту, возникнет северный полюс ($N$), а на противоположном — южный ($S$).

Ответ: У торца катушки, к которому приближается магнит, возникает одноименный полюс (в данном случае — северный), а на противоположном торце — южный полюс.

Случай б: Постоянный магнит удаляют от катушки (северным полюсом).

Когда северный полюс ($N$) магнита удаляется от катушки, магнитный поток через витки катушки уменьшается. Согласно правилу Ленца, индукционный ток создаст магнитное поле, которое будет стремиться скомпенсировать это уменьшение, то есть поддержать уходящее поле. Для этого катушка будет притягивать магнит. Притяжение происходит между разноименными полюсами. Следовательно, на торце катушки, обращенном к магниту, возникнет южный полюс ($S$), а на противоположном — северный ($N$).

Ответ: У торца катушки, от которого удаляется магнит, возникает разноименный полюс (в данном случае — южный), а на противоположном торце — северный полюс.

Обсудите с одноклассниками, можно ли для опыта вместо алюминиевых взять железные кольца. Как в этом случае изменятся результаты эксперимента? Почему одно из колец взяли с разрезом?

Можно ли для опыта вместо алюминиевых взять железные кольца. Как в этом случае изменятся результаты эксперимента?

Для опыта, демонстрирующего явление электромагнитной индукции (правило Ленца), можно взять железные кольца вместо алюминиевых, но результаты эксперимента кардинально изменятся, и его первоначальный смысл будет утерян.

Изменение результатов объясняется различными физическими свойствами алюминия и железа.

1. Алюминиевое кольцо. Алюминий является парамагнетиком, он очень слабо взаимодействует с постоянным магнитом. Основной наблюдаемый эффект в данном опыте — это электромагнитная индукция. Когда магнит приближается к сплошному алюминиевому кольцу, переменный магнитный поток создает в нем индукционный ток. Согласно правилу Ленца, магнитное поле этого тока противодействует изменению внешнего магнитного потока, что приводит к отталкиванию кольца от приближающегося магнита.

2. Железное кольцо. Железо — это ферромагнетик. Оно обладает свойством сильно намагничиваться и притягиваться к магниту. При использовании железного кольца будут наблюдаться два конкурирующих эффекта:

• Электромагнитная индукция: в сплошном железном кольце также возникнет индукционный ток, создающий силу отталкивания. Однако удельное электрическое сопротивление железа выше, чем у алюминия, поэтому индукционный ток и, соответственно, сила отталкивания будут слабее.
• Ферромагнитное притяжение: из-за намагничивания железо будет сильно притягиваться к магниту. Эта сила действует всегда, когда магнит находится рядом, и она значительно превосходит по величине слабую силу индукционного отталкивания.

Таким образом, вместо четкого отталкивания, которое демонстрирует правило Ленца, железное кольцо будет всегда сильно притягиваться к магниту. Это не позволит наглядно продемонстрировать физический закон, ради которого ставится опыт.

Ответ: Использовать железные кольца можно, но это полностью исказит результаты эксперимента. Вместо отталкивания, обусловленного электромагнитной индукцией, будет наблюдаться сильное притяжение кольца к магниту из-за ферромагнитных свойств железа. Это сделает демонстрацию правила Ленца невозможной.

Почему одно из колец взяли с разрезом?

Одно из колец в опыте используется с разрезом для того, чтобы наглядно продемонстрировать, что наблюдаемое явление взаимодействия (отталкивание сплошного кольца) вызвано именно возникновением замкнутого индукционного тока.

В сплошном (замкнутом) проводящем кольце изменение магнитного потока $\Phi_B$ индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) $\mathcal{E}$, которая, в свою очередь, создает в кольце индукционный ток $I = \mathcal{E} / R$, где $R$ — электрическое сопротивление кольца. Именно этот ток порождает собственное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем магнита.

В кольце с разрезом электрическая цепь разомкнута. Несмотря на то, что ЭДС в нем также индуцируется, разрез препятствует протеканию макроскопического тока по всему контуру (сопротивление цепи стремится к бесконечности, $R \to \infty$). Поскольку индукционный ток практически равен нулю ($I \approx 0$), то и магнитное поле, способное вызвать заметное силовое взаимодействие с магнитом, не создается.

Сравнивая поведение двух колец, мы видим, что сплошное кольцо взаимодействует с магнитом, а разрезанное — нет. Это доказывает, что причиной взаимодействия является именно индукционный ток, для возникновения которого необходим замкнутый проводящий контур. Таким образом, кольцо с разрезом выполняет роль контрольного образца в эксперименте.

Ответ: Кольцо с разрезом необходимо для контроля. Оно наглядно демонстрирует, что отталкивание наблюдается только в замкнутом контуре (сплошном кольце), где может протекать индукционный ток. В разомкнутом контуре (кольце с разрезом) ток не течет, и силового взаимодействия не происходит, что доказывает электромагнитную природу наблюдаемого явления.