Номер 1808, страница 213 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Перышкин

9 класс. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. 64. Явление электромагнитной индукции. Самоиндукция. Переменный ток. Передача электрической энергии. Трансформатор - номер 1808, страница 213.

Решение.

При включении электромагнита в цепь ток устанавливается не мгновенно и может испытывать колебания из-за совокупного действия двух физических явлений: электромагнитной индукции (самоиндукции) и наличия паразитной емкости в катушке электромагнита.

1. Самоиндукция. Электромагнит представляет собой катушку с большим количеством витков, обладающую значительной индуктивностью $\text{L}$. В момент включения цепи ток $\text{I}$ начинает нарастать с нуля. Это изменение тока порождает изменение пронизывающего катушку магнитного потока. Согласно закону электромагнитной индукции, в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая по правилу Ленца препятствует нарастанию тока. Величина этой ЭДС пропорциональна скорости изменения тока: $E_{si} = -L \frac{dI}{dt}$. Это явление придает току своего рода "инерционность", из-за которой он не может установиться мгновенно, а нарастает постепенно.

2. Колебания. Причиной колебаний является то, что реальный электромагнит — это не идеальная катушка индуктивности. Между соседними витками провода, разделенными слоем изоляции, существует электрическая емкость. Эта так называемая паразитная (или межвитковая) емкость $\text{C}$ хоть и мала, но ее наличие превращает электромагнит из простой RL-цепи в колебательный RLC-контур, где $\text{R}$ — активное сопротивление провода.

При подаче напряжения на такой контур в нём возникает переходный процесс. Характер этого процесса определяется соотношением параметров контура: сопротивления $\text{R}$, индуктивности $\text{L}$ и емкости $\text{C}$. Если сопротивление цепи достаточно мало и выполняется условие $R < 2\sqrt{L/C}$, то в контуре возникают затухающие электромагнитные колебания. В этом (недодемпфированном) режиме ток, прежде чем достичь своего установившегося значения $I_{уст} = U/R$, совершает несколько колебаний вокруг него. Физически это соответствует периодическому обмену энергией между магнитным полем катушки (энергия $W_L = \frac{LI^2}{2}$) и электрическим полем паразитной емкости (энергия $W_C = \frac{q^2}{2C}$). Колебания затухают, так как на активном сопротивлении $\text{R}$ происходит постепенное рассеяние энергии в виде тепла.

Ответ: Задержка в установлении тока объясняется явлением самоиндукции в катушке электромагнита. Колебания тока возникают из-за того, что реальный электромагнит обладает не только индуктивностью и сопротивлением, но и паразитной межвитковой емкостью. В результате он представляет собой RLC-контур, в котором при определенных условиях (малом затухании) возникают затухающие колебания тока в момент включения.