Номер 3.163, страница 81 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Энергия магнитного поля - номер 3.163, страница 81.

Условие.

3.163. Поясните превращения энергии, происходящие при следующих процессах:

а) магнитная стрелка поворачивается вблизи провода, по которому пустили ток;

б) электромагнит притягивает к себе якорь;

в) от электромагнита, по обмотке которого идёт ток, отрывают якорь;

г) постоянный магнит притягивает к себе кусок железа.

Решение.

а) магнитная стрелка поворачивается вблизи провода, по которому пустили ток

Когда по проводу протекает электрический ток, он создает вокруг себя магнитное поле. Энергия источника тока преобразуется в энергию этого магнитного поля. Магнитная стрелка, являясь, по сути, маленьким постоянным магнитом, обладает потенциальной энергией, находясь в этом поле. Магнитное поле действует на стрелку с определенным моментом силы, заставляя ее поворачиваться и ориентироваться вдоль силовых линий поля. В процессе этого поворота потенциальная энергия взаимодействия стрелки с полем уменьшается, превращаясь в кинетическую энергию ее вращательного движения. В конечном итоге, из-за сопротивления воздуха и трения, движение затухает, и кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию (теплоту), нагревая стрелку и окружающую среду.

Ответ: Энергия магнитного поля, созданного током, превращается в кинетическую энергию вращающейся магнитной стрелки, которая затем преобразуется во внутреннюю энергию.

б) электромагнит притягивает к себе якорь

При включении электромагнита источник тока совершает работу по созданию магнитного поля. Энергия источника тока преобразуется в энергию магнитного поля. Это поле намагничивает якорь (кусок ферромагнетика) и создает силу притяжения. Под действием этой силы якорь ускоряется и движется к электромагниту, при этом его кинетическая энергия растет. Работу по перемещению якоря совершает магнитное поле. Для поддержания тока в катушке источник должен совершать дополнительную работу, которая идет на увеличение кинетической энергии якоря и на увеличение энергии самого магнитного поля (так как при уменьшении воздушного зазора магнитное сопротивление цепи падает, а энергия поля при постоянном токе растет). В момент удара якоря об электромагнит его кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию (нагрев) и энергию звуковых волн.

Ответ: Электрическая энергия источника тока превращается в кинетическую энергию якоря и в энергию магнитного поля; при соударении кинетическая энергия якоря переходит во внутреннюю энергию и энергию звука.

в) от электромагнита, по обмотке которого идёт ток, отрывают якорь

Чтобы оторвать притянутый якорь от работающего электромагнита, необходимо приложить внешнюю силу и совершить механическую работу против сил магнитного притяжения. Эта работа увеличивает потенциальную энергию системы "электромагнит-якорь". Одновременно с этим, при увеличении воздушного зазора между якорем и сердечником, энергия магнитного поля системы уменьшается (при условии поддержания постоянного тока). Это уменьшение энергии магнитного поля приводит к возникновению в обмотке ЭДС индукции, которая направлена в ту же сторону, что и ток от источника. В результате часть энергии магнитного поля преобразуется обратно в электрическую энергию и возвращается в цепь, к источнику питания.

Ответ: Механическая работа, совершаемая внешней силой, превращается в потенциальную энергию взаимодействия якоря и электромагнита, а часть энергии магнитного поля преобразуется обратно в электрическую энергию.

г) постоянный магнит притягивает к себе кусок железа

Система, состоящая из постоянного магнита и куска железа, находящихся на расстоянии друг от друга, обладает потенциальной энергией магнитного взаимодействия. Магнитное поле магнита намагничивает железо, в результате чего между ними возникает сила притяжения. Под действием этой силы кусок железа начинает двигаться к магниту. При этом потенциальная энергия системы уменьшается, преобразуясь в кинетическую энергию движущегося куска железа. В момент, когда железо притягивается к магниту, происходит неупругий удар, и накопленная кинетическая энергия превращается во внутреннюю энергию (тела нагреваются) и в энергию звуковых волн.

Ответ: Потенциальная энергия магнитного взаимодействия магнита и куска железа превращается в кинетическую энергию движения железа, которая затем переходит во внутреннюю энергию и энергию звука.