Номер 61.13, страница 217 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 61. Электромагнитная индукция. Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления - номер 61.13, страница 217.

61.13 [н] Почему время затухания колебаний медного или алюминиевого кольца, подвешенного на длинных нитях, резко сокращается, если рядом с ним поместить постоянный магнит так, как показано на рисунке VIII-27? Ответ поясните рисунками.

Рис. VIII-27

Решение

Это явление объясняется законом электромагнитной индукции Фарадея. Медное или алюминиевое кольцо является проводником. Когда оно колеблется, проходя мимо полюса магнита, оно движется в неоднородном магнитном поле. Вследствие этого магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий площадь кольца, непрерывно изменяется.

Согласно закону электромагнитной индукции, изменение магнитного потока создает в кольце индукционную электродвижущую силу (ЭДС): $ \mathcal{E}_{i} = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $. Поскольку кольцо представляет собой замкнутый проводящий контур, эта ЭДС вызывает в нем протекание индукционного тока, который также называют вихревым током или током Фуко.

Направление этого индукционного тока подчиняется правилу Ленца: он всегда направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать причине, его вызывающей, то есть изменению магнитного потока.

Для пояснения, как это приводит к торможению, рассмотрим два этапа движения кольца. Когда кольцо приближается к магниту, магнитный поток через него возрастает. Индукционный ток создает магнитное поле, которое, согласно правилу Ленца, будет отталкивать кольцо от магнита. Например, если к кольцу обращен северный полюс (N) магнита, то в кольце возникнет ток, создающий на этой же стороне также северный полюс. Одноименные полюса отталкиваются, и на кольцо действует тормозящая сила, направленная против движения.

Когда кольцо удаляется от магнита, магнитный поток через него убывает. Индукционный ток теперь изменит свое направление и создаст магнитное поле, которое будет стремиться скомпенсировать это убывание, то есть будет притягивать кольцо к магниту. Сторона кольца, обращенная к северному полюсу магнита, станет южным полюсом (S). Разноименные полюса притягиваются, и на кольцо снова действует тормозящая сила, направленная против его движения.

Таким образом, на любом участке траектории, где изменяется магнитный поток, на кольцо действует магнитная сила (сила Ампера), всегда направленная против скорости его движения. Эта сила выполняет отрицательную работу, превращая механическую энергию колебаний кольца в тепловую энергию, которая рассеивается в самом кольце (нагрев по закону Джоуля-Ленца). Из-за этой быстрой диссипации энергии колебания резко затухают.

Ответ: Время затухания колебаний кольца резко сокращается из-за явления электромагнитного торможения (демпфирования). При движении проводящего кольца в неоднородном магнитном поле в нем возникают индукционные (вихревые) токи. Согласно правилу Ленца, эти токи создают магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего на кольцо действует сила, всегда направленная против его движения. Эта тормозящая сила приводит к быстрому преобразованию механической энергии колебаний в тепловую, что и вызывает быстрое затухание.