Номер 3.184, страница 84 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Магнитные свойства вещества - номер 3.184, страница 84.

Условие.

3.184. Над соленоидом на пружине подвешен тонкий стержень (рис. 3.80). Что произойдёт со стержнем при замыкании ключа K, если стержень:

а) медный;

б) железный;

в) алюминиевый?

Рис. 3.80

Решение.

При замыкании ключа K в цепи соленоида начинает течь электрический ток. Так как ток нарастает не мгновенно, а в течение некоторого времени, он создает изменяющееся во времени магнитное поле. Это переменное магнитное поле, в свою очередь, взаимодействует со стержнем, подвешенным над соленоидом. Результат взаимодействия зависит от магнитных и электрических свойств материала стержня.

а) медный

Медь является диамагнетиком (ее магнитная проницаемость $\mu$ незначительно меньше 1) и хорошим проводником электрического тока. При замыкании ключа нарастающее магнитное поле соленоида индуцирует в медном стержне вихревые токи (токи Фуко). Согласно правилу Ленца, эти индукционные токи будут направлены так, чтобы своим магнитным полем противодействовать нарастанию магнитного потока, созданного соленоидом. Это приведет к возникновению силы отталкивания между соленоидом и стержнем. В результате стержень испытает толчок вверх (подпрыгнет). Как только ток в соленоиде установится и станет постоянным, магнитное поле также станет постоянным. Индукционные токи в стержне исчезнут, и сила отталкивания пропадет. Стержень вернется в свое первоначальное положение равновесия (слабым отталкиванием диамагнетика в постоянном магнитном поле можно пренебречь).

Ответ: Стержень кратковременно оттолкнется от соленоида (подпрыгнет).

б) железный

Железо является ферромагнетиком (его магнитная проницаемость $\mu \gg 1$) и также проводником. Как и в случае с медью, в момент замыкания ключа в железном стержне возникнут индукционные токи, создающие кратковременную силу отталкивания. Однако для железа этот эффект будет второстепенным. Главную роль сыграют его ферромагнитные свойства. В магнитном поле соленоида железный стержень сильно намагнитится и будет втягиваться в область более сильного магнитного поля, то есть внутрь соленоида. Сила притяжения будет значительно превосходить кратковременную силу отталкивания. Эта сила притяжения будет действовать постоянно, пока в соленоиде течет ток.

Ответ: Стержень втянется в соленоид.

в) алюминиевый

Алюминий является парамагнетиком (его магнитная проницаемость $\mu$ незначительно больше 1) и хорошим проводником. Его поведение будет аналогично поведению медного стержня. В момент замыкания ключа нарастающее магнитное поле соленоида создаст в стержне индукционные вихревые токи. По правилу Ленца, взаимодействие магнитного поля соленоида и магнитного поля индукционных токов приведет к возникновению силы отталкивания. Стержень подпрыгнет. После установления постоянного тока в цепи индукционные токи исчезнут. Поскольку алюминий — парамагнетик, он будет очень слабо притягиваться к соленоиду в постоянном магнитном поле, но эта сила пренебрежимо мала по сравнению с силой тяжести и силой упругости пружины, а также с начальной силой отталкивания. Таким образом, основным наблюдаемым эффектом будет начальный толчок вверх.

Ответ: Стержень кратковременно оттолкнется от соленоида (подпрыгнет).