Номер 59.21, страница 212 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 59. Магнитное поле проводника с током. Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления - номер 59.21, страница 212.

59.21 [н] Куда «пропадает» энергия магнитного поля при размыкании электрической цепи?

Выберите правильный ответ:

1) возвращается к источнику тока

2) выделяется в виде тепла

3) излучается в виде электромагнитных волн

4) бесследно исчезает

Решение

Когда по электрической цепи, обладающей индуктивностью $L$ (например, содержащей катушку), протекает электрический ток $I$, в ней запасается энергия магнитного поля. Эта энергия рассчитывается по формуле:

$W_м = \frac{LI^2}{2}$

При размыкании цепи ток $I$ начинает очень быстро уменьшаться. Согласно явлению электромагнитной самоиндукции, быстрое изменение магнитного потока, связанного с изменением тока, приводит к возникновению в цепи ЭДС самоиндукции:

$\mathcal{E}_{си} = -L \frac{dI}{dt}$

Поскольку скорость изменения тока $\frac{dI}{dt}$ при размыкании очень велика, возникающая ЭДС самоиндукции может достигать очень больших значений (сотни и тысячи вольт). Эта ЭДС стремится поддержать ток в цепи и направлена так, чтобы противодействовать его уменьшению. Высокое напряжение, возникающее между контактами размыкающего устройства (например, выключателя), способно ионизировать воздух в зазоре между ними. В результате возникает электрический разряд — искра или электрическая дуга.

Именно в этом разряде и происходит преобразование энергии, запасенной в магнитном поле, в другие виды энергии. Рассмотрим предложенные варианты.

1) возвращается к источнику тока

Данное утверждение в общем случае неверно. Энергия рассеивается в месте разрыва цепи, где возникает дуга. ЭДС самоиндукции создает ток в дуге, что приводит к диссипации (рассеиванию) энергии, а не к ее возврату в источник питания. В стандартной цепи постоянного тока энергия не возвращается к источнику.

2) выделяется в виде тепла

Электрическая дуга представляет собой канал плазмы — ионизированного газа с очень высокой температурой. Ток, протекающий через этот плазменный канал, испытывает сопротивление, что приводит к интенсивному выделению тепла (согласно закону Джоуля-Ленца). Это основной механизм рассеивания энергии. Выделяющееся тепло нагревает контакты выключателя и окружающую среду. Этот вариант является наиболее точным описанием основного процесса.

3) излучается в виде электромагнитных волн

Этот процесс также происходит. Яркая вспышка света, сопровождающая искру или дугу, — это и есть электромагнитные волны видимого диапазона. Кроме того, быстрые колебания тока при разряде создают электромагнитное излучение в широком спектре частот (радиопомехи). Однако выделение тепла является более общим и энергетически значимым процессом в дуге, а световое излучение — одно из его следствий. Основная часть энергии преобразуется именно в тепловую энергию плазмы.

4) бесследно исчезает

Это утверждение противоречит фундаментальному закону сохранения энергии, согласно которому энергия не может возникнуть из ничего или исчезнуть в никуда. Она может только переходить из одной формы в другую. Энергия магнитного поля преобразуется в другие виды, в основном в тепловую.

Суммируя вышесказанное, при размыкании индуктивной цепи запасенная в ней энергия магнитного поля превращается в энергию электрической дуги, которая проявляется в основном в виде выделения большого количества тепла, а также в виде светового и другого электромагнитного излучения.

Ответ: 2) выделяется в виде тепла