Номер 61.12, страница 217 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 61. Электромагнитная индукция. Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления - номер 61.12, страница 217.

61.12 [н] Как с помощью постоянного магнита можно вывести из состояния равновесия и заставить совершать колебания медное или алюминиевое кольцо, подвешенное на нитях (рис. VIII-27)? Ответ поясните рисунками.

Рис. VIII-27

Решение

Медное или алюминиевое кольцо является проводником, но не обладает ферромагнитными свойствами. Поэтому в состоянии покоя оно не притягивается и не отталкивается постоянным магнитом. Чтобы вывести кольцо из состояния равновесия и заставить его совершать колебания, необходимо создать переменную во времени силу. Это достигается за счет явления электромагнитной индукции.

Рассмотрим процесс взаимодействия магнита и кольца при их относительном движении.

1. Приближение магнита к кольцу. Когда мы подносим к кольцу постоянный магнит, например, северным полюсом (N), как показано на рисунке, магнитный поток $Φ$ через площадь, ограниченную кольцом, увеличивается. Согласно правилу Ленца, в замкнутом проводящем контуре (кольце) возникает индукционный ток $I_{инд}$ такого направления, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению (в данном случае, увеличению) внешнего магнитного потока. Для этого сторона кольца, обращенная к магниту, должна стать одноименным полюсом, то есть северным (N). Так как одноименные полюса отталкиваются, между магнитом и кольцом возникнет сила отталкивания, которая сместит кольцо из положения равновесия.

Рисунок 1: Магнит приближается к кольцу. Вектор магнитной индукции $\vec{B}$ внешнего поля направлен вправо и его модуль растет. Индукционный ток $I_{инд}$ создает собственное магнитное поле $\vec{B}_{инд}$, направленное влево. Возникает сила отталкивания $\vec{F}_{отт}$.

2. Удаление магнита от кольца. Когда мы начинаем удалять магнит от кольца, магнитный поток $Φ$ через него уменьшается. По тому же правилу Ленца, индукционный ток $I_{инд}$ изменит свое направление на противоположное, чтобы создать магнитное поле, поддерживающее убывающий поток. Теперь сторона кольца, обращенная к магниту, станет разноименным полюсом — южным (S). Разноименные полюса притягиваются, поэтому кольцо будет притягиваться к удаляющемуся магниту и двигаться за ним.

Рисунок 2: Магнит удаляется от кольца. Вектор магнитной индукции $\vec{B}$ внешнего поля направлен вправо, но его модуль убывает. Индукционный ток $I_{инд}$ меняет направление и создает собственное магнитное поле $\vec{B}_{инд}$, направленное вправо. Возникает сила притяжения $\vec{F}_{прит}$.

Таким образом, совершая магнитом периодические движения вперед-назад вдоль оси кольца, мы будем создавать периодически действующую силу, которая будет то отталкивать, то притягивать кольцо. Это приведет к возникновению вынужденных колебаний кольца. Если частота этих движений магнитом совпадет с собственной частотой колебаний кольца (как маятника), наступит явление резонанса, и амплитуда колебаний кольца значительно возрастет.

Ответ: Чтобы заставить медное или алюминиевое кольцо колебаться, нужно периодически приближать и удалять от него постоянный магнит вдоль оси кольца. При приближении магнита в кольце возникает индукционный ток, который, согласно правилу Ленца, создает магнитное поле, отталкивающее кольцо. При удалении магнита индукционный ток меняет направление, и созданное им магнитное поле притягивает кольцо. Чередование этих сил отталкивания и притяжения вызывает вынужденные колебания кольца.