Задание 2, страница 55 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 2

Изобразите силовые линии электрического и магнитного поля в момент зарядки и момент разрядки конденсатора. Укажите их направление.

Для решения задачи рассмотрим плоский конденсатор с круглыми обкладками. Процессы зарядки и разрядки создают как электрическое, так и магнитное поля в пространстве между обкладками.

В момент зарядки конденсатора

Когда конденсатор подключается к источнику питания, по цепи начинает течь ток $\text{I}$. На одной обкладке накапливается положительный заряд ($+q$), а на другой — отрицательный ($-q$). Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению источника.

Электрическое поле ($\vec{E}$):

• Силовые линии электрического поля направлены от положительно заряженной обкладки к отрицательно заряженной.
• Внутри плоского конденсатора (вдали от краев) поле является однородным. Силовые линии представляют собой параллельные прямые, перпендикулярные обкладкам.
• В процессе зарядки заряд на обкладках увеличивается, следовательно, напряженность электрического поля $\text{E}$ также возрастает со временем.

Магнитное поле ($\vec{B}$):

Согласно теории Максвелла, изменяющееся во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Это явление описывается введением тока смещения $I_D = \epsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt}$, где $\Phi_E$ — поток вектора напряженности электрического поля. При зарядке ток смещения между обкладками равен току $\text{I}$ во внешней цепи.

• Силовые линии магнитного поля $\vec{B}$ представляют собой замкнутые концентрические окружности, плоскость которых перпендикулярна силовым линиям электрического поля $\vec{E}$.
• Направление силовых линий магнитного поля определяется по правилу правой руки (правилу буравчика). Если направить большой палец правой руки по направлению тока смещения (в данном случае его направление совпадает с направлением вектора $\vec{E}$, так как поле усиливается), то согнутые четыре пальца укажут направление линий вектора магнитной индукции $\vec{B}$.

На рисунке: $\vec{E}$ - силовые линии электрического поля, $\vec{B}$ - силовые линии магнитного поля, $\text{I}$ - ток зарядки.

Ответ: При зарядке силовые линии электрического поля направлены от положительной обкладки к отрицательной, и их напряженность растет. Силовые линии магнитного поля являются замкнутыми кривыми, охватывающими область между обкладками, и их направление определяется по правилу правой руки относительно направления роста электрического поля.

В момент разрядки конденсатора

Когда заряженный конденсатор замыкается на нагрузку, начинается процесс разрядки. Накопленный заряд стекает с обкладок, создавая в цепи ток $\text{I}$, направленный в сторону, противоположную току зарядки.

Электрическое поле ($\vec{E}$):

• Направление силовых линий электрического поля $\vec{E}$ не меняется: они по-прежнему направлены от положительной (хотя и уменьшающей свой заряд) обкладки к отрицательной.
• В процессе разрядки заряд на обкладках уменьшается, поэтому напряженность электрического поля $\text{E}$ убывает со временем.

Магнитное поле ($\vec{B}$):

Уменьшающееся электрическое поле также создает магнитное поле за счет тока смещения.

• Поскольку напряженность электрического поля $\text{E}$ уменьшается, вектор ее изменения $d\vec{E}/dt$ направлен в сторону, противоположную вектору $\vec{E}$.
• Следовательно, ток смещения $I_D$ также направлен противоположно вектору электрического поля $\vec{E}$.
• Силовые линии магнитного поля $\vec{B}$ по-прежнему являются замкнутыми окружностями.
• Их направление определяется по правилу правой руки для тока смещения. Так как ток смещения теперь направлен в сторону, противоположную направлению $\vec{E}$, то и направление линий магнитного поля $\vec{B}$ будет противоположным тому, которое было при зарядке.

На рисунке: $\vec{E}$ - силовые линии электрического поля, $\vec{B}$ - силовые линии магнитного поля, $\text{I}$ - ток разрядки. Вектор изменения поля $d\vec{E}/dt$ направлен противоположно $\vec{E}$.

Ответ: При разрядке силовые линии электрического поля направлены от положительной обкладки к отрицательной, а их напряженность убывает. Силовые линии магнитного поля имеют направление, противоположное направлению при зарядке, так как электрическое поле между обкладками ослабевает.