Номер 60.15, страница 214 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 60. Действие магнитного поля на проводник с током и движущиеся заряды. Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления - номер 60.15, страница 214.

60.15 [1482] Опишите все превращения и переходы энергии, которые происходят при замыкании цепи тока в опытной установке (см. рис. VIII-15).

Решение

Поскольку рисунок VIII-15 не предоставлен, рассмотрим общую последовательность превращений энергии при замыкании цепи, содержащей источник тока (например, батарею), выключатель, соединительные провода и нагрузку в виде электромагнита, который притягивает и поднимает небольшой груз (например, железный шарик).

Процесс превращения энергии можно разбить на следующие этапы:

1. В источнике тока (батарее): При замыкании цепи внутри источника начинаются химические реакции. Запасенная химическая энергия реагентов преобразуется в электрическую энергию. Эта энергия расходуется на создание и поддержание электрического поля в цепи, которое приводит в движение заряженные частицы, создавая ток. Часть химической энергии также преобразуется во внутреннюю энергию (теплоту) самого источника из-за его внутреннего сопротивления.

   Цепочка превращений: Химическая энергия → Электрическая энергия + Внутренняя энергия (теплота).

2. В соединительных проводах и выключателе: Проходя по проводникам, электрический ток испытывает сопротивление. В результате работа электрического поля по перемещению зарядов приводит к нагреву проводников. Таким образом, часть электрической энергии переходит во внутреннюю энергию проводов и выключателя в соответствии с законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2Rt$).

   Цепочка превращений: Электрическая энергия → Внутренняя энергия (теплота).

3. В катушке электромагнита: Электрический ток, проходя через обмотку электромагнита, создает вокруг нее магнитное поле. Электрическая энергия, поставляемая источником, преобразуется в энергию магнитного поля. Энергия, запасенная в магнитном поле катушки с индуктивностью $L$ при токе $I$, равна $W_м = \frac{LI^2}{2}$. Одновременно, так как обмотка катушки обладает сопротивлением, часть электрической энергии преобразуется в теплоту.

   Цепочка превращений: Электрическая энергия → Энергия магнитного поля + Внутренняя энергия (теплота).

4. Совершение механической работы: Созданное магнитное поле действует с силой на находящийся поблизости железный груз. Эта сила совершает работу по перемещению груза. В процессе подъема груза энергия магнитного поля (и, соответственно, подводимая от источника электрическая энергия) преобразуется в механическую энергию груза. Механическая энергия, в свою очередь, состоит из двух частей:

   • Потенциальная энергия: Груз поднимается на некоторую высоту $h$, и его потенциальная энергия увеличивается на величину $E_п = mgh$.
   • Кинетическая энергия: В процессе движения груз обладает скоростью, а значит, и кинетической энергией $E_к = \frac{mv^2}{2}$. Когда груз достигает электромагнита и останавливается, его кинетическая энергия становится равной нулю, переходя, как правило, в тепловую энергию и энергию звуковых волн в момент удара.

   Цепочка превращений: Энергия магнитного поля → Потенциальная энергия груза + Кинетическая энергия груза.

5. Установившийся режим: После того как груз поднят и удерживается электромагнитом, механическая работа больше не совершается. Вся электрическая энергия, поставляемая источником, расходуется на поддержание тока в цепи и полностью преобразуется во внутреннюю энергию (теплоту) в различных элементах цепи (внутреннее сопротивление источника, сопротивление проводов, сопротивление катушки). Энергия магнитного поля при этом остается постоянной.

Таким образом, при замыкании цепи происходит сложная цепь превращений: химическая энергия источника переходит в электрическую, которая затем преобразуется в энергию магнитного поля, механическую энергию (потенциальную и кинетическую) и повсеместно — во внутреннюю энергию (теплоту) из-за сопротивления и механического трения.

Ответ:

При замыкании цепи в опытной установке с электромагнитом происходят следующие основные превращения и переходы энергии:
1. В источнике тока: химическая энергия → электрическая энергия + внутренняя энергия.
2. В проводниках и катушке: электрическая энергия → внутренняя энергия (нагрев).
3. В катушке электромагнита: электрическая энергия → энергия магнитного поля.
4. При подъеме груза: энергия магнитного поля → кинетическая и потенциальная механическая энергия груза.
В конечном счете, вся энергия, забираемая от источника, переходит во внутреннюю энергию элементов цепи и окружающей среды, а также в потенциальную энергию поднятого груза.