Лабораторная работа № 12, страница 153, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные явления. Параграф 85. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 153.

Условие.

Лабораторная работа № 12

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы

Изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование и материалы

Постоянный магнит, электромагнит разборный, миллиамперметр, соединительные провода, источник постоянного тока, ключ, реостат, катушка.

Ход работы

• Соберите цепь, состоящую из катушки и миллиамперметра.

• Опуская постоянный магнит внутрь катушки, определите направление возникающего индукционного тока (1).

• Вынимайте магнит из катушки. Изменилось ли направление индукционного тока?

• Возникает ли индукционный ток, когда магнит покоится относительно катушки? Как вы это определили?

• Закрепите магнит в штативе. Повторите опыт, перемещая катушку вдоль магнита (2).

• Как направление индукционного тока зависит от направления движения катушки?

• Влияет ли скорость движения катушки на значение силы индукционного тока?

• Соберите ещё одну электрическую цепь, состоящую из источника тока, второй катушки, реостата и ключа. Расположите первую катушку рядом со второй так, чтобы часть её входила во вторую катушку.

• Проверьте, возникает ли индукционный ток в первой катушке при замыкании и размыкании цепи второй катушки (3).

• Определите направление возникающего индукционного тока.

• Замкните цепь. Проверьте, возникает ли индукционный ток в первой катушке, если силу тока во второй катушке изменять с помощью реостата.

• Какое направление имеет индукционный ток при возрастании силы тока во второй катушке? при убывании силы тока во второй катушке?

• Сделайте выводы.

Решение.

Опуская постоянный магнит внутрь катушки, определите направление возникающего индукционного тока (1).

При опускании магнита северным полюсом (N) в катушку, магнитный поток, направленный вниз, сквозь витки катушки, увеличивается. Согласно правилу Ленца, возникающий в катушке индукционный ток создаст собственное магнитное поле, препятствующее этому увеличению. То есть, магнитное поле индукционного тока будет направлено вверх. Для создания такого поля, по правилу правой руки, ток в витках катушки (если смотреть сверху) должен течь против часовой стрелки. Стрелка миллиамперметра отклонится, указывая на наличие тока.

Ответ: Направление индукционного тока таково, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока. При опускании северного полюса магнита, ток течет так, чтобы верхний торец катушки стал северным полюсом.

Вынимайте магнит из катушки. Изменилось ли направление индукционного тока?

При вынимании магнита (северным полюсом вверх) из катушки, магнитный поток, направленный вниз, уменьшается. Согласно правилу Ленца, индукционный ток создаст магнитное поле, которое будет стремиться поддержать убывающий поток, то есть будет направлено также вниз. По правилу правой руки, для создания поля, направленного вниз, ток в витках катушки (если смотреть сверху) должен течь по часовой стрелке. Стрелка миллиамперметра отклонится в противоположную сторону по сравнению с первым опытом.

Ответ: Да, направление индукционного тока изменилось на противоположное.

Возникает ли индукционный ток, когда магнит покоится относительно катушки? Как вы это определили?

Когда магнит покоится относительно катушки, индукционный ток не возникает. Это связано с тем, что явление электромагнитной индукции наблюдается только при изменении магнитного потока, пронизывающего контур. Если магнит и катушка неподвижны друг относительно друга, магнитный поток постоянен ($ \frac{d\Phi_B}{dt} = 0 $). Определить это можно по миллиамперметру: его стрелка будет находиться на нулевой отметке.

Ответ: Индукционный ток не возникает, что показывает нулевое показание миллиамперметра.

Закрепите магнит в штативе. Повторите опыт, перемещая катушку вдоль магнита (2).

Результаты опыта не изменятся. Возникновение индукционного тока зависит только от относительного движения магнита и катушки. Перемещение катушки вниз на неподвижный магнит эквивалентно перемещению магнита вниз в неподвижную катушку. Аналогично, перемещение катушки вверх от магнита эквивалентно извлечению магнита из катушки. Наблюдаемые явления (направление и величина тока) будут такими же, как и в предыдущих опытах.

Ответ: Результаты опыта полностью повторяются, так как для возникновения индукционного тока важно лишь относительное движение проводника и источника магнитного поля.

Как направление индукционного тока зависит от направления движения катушки?

Направление индукционного тока напрямую зависит от направления относительного движения катушки и магнита. При изменении направления движения на противоположное, меняется знак скорости изменения магнитного потока ($ \frac{d\Phi_B}{dt} $), что, в свою очередь, приводит к изменению направления индукционного тока на противоположное.

Ответ: При смене направления движения катушки (или магнита) на противоположное, направление индукционного тока также меняется на противоположное.

Влияет ли скорость движения катушки на значение силы индукционного тока?

Да, влияет. Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ |\mathcal{E}| = |\frac{d\Phi_B}{dt}| $. Чем выше скорость относительного движения катушки и магнита, тем быстрее меняется магнитный поток, и, следовательно, тем больше возникающая ЭДС индукции. По закону Ома для замкнутой цепи ($ I = \frac{\mathcal{E}}{R} $), большая ЭДС создает большую силу индукционного тока. На опыте это проявится в большем отклонении стрелки миллиамперметра при более быстром движении.

Ответ: Да, чем выше скорость движения катушки, тем больше сила индукционного тока.

Проверьте, возникает ли индукционный ток в первой катушке при замыкании и размыкании цепи второй катушки (3).

Да, индукционный ток в первой катушке возникает и при замыкании, и при размыкании цепи второй катушки. При замыкании цепи во второй катушке (первичной обмотке) ток нарастает от нуля до некоторого значения, создавая вокруг себя нарастающее магнитное поле. Это изменяющееся магнитное поле порождает переменный магнитный поток через первую катушку (вторичную обмотку), что приводит к появлению в ней индукционного тока. При размыкании цепи ток во второй катушке спадает до нуля, магнитный поток через первую катушку убывает, что снова вызывает в ней индукционный ток, но уже другого направления.

Ответ: Да, индукционный ток возникает в моменты замыкания и размыкания цепи.

Определите направление возникающего индукционного тока.

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца. При замыкании цепи второй катушки в ней возникает ток, создающий, например, направленное вверх магнитное поле. Магнитный поток через первую катушку возрастает. Индукционный ток в первой катушке создаст свое магнитное поле, направленное вниз, чтобы скомпенсировать это возрастание. При размыкании цепи магнитный поток, направленный вверх, убывает. Индукционный ток в первой катушке создаст поле, направленное вверх, чтобы поддержать убывающий поток. Таким образом, направления тока при замыкании и размыкании цепи будут противоположными.

Ответ: Направление тока при замыкании цепи противоположно направлению тока при ее размыкании.

Замкните цепь. Проверьте, возникает ли индукционный ток в первой катушке, если силу тока во второй катушке изменять с помощью реостата.

Да, возникает. Реостат позволяет изменять сопротивление в цепи второй катушки, что, согласно закону Ома, приводит к изменению силы тока в ней. Изменение силы тока во второй катушке вызывает изменение создаваемого ею магнитного поля, а следовательно, и изменение магнитного потока через первую катушку. Любое изменение магнитного потока ($ \frac{d\Phi_B}{dt} \neq 0 $) индуцирует в первой катушке ЭДС и ток.

Ответ: Да, при изменении силы тока во второй катушке с помощью реостата в первой катушке возникает индукционный ток.

Какое направление имеет индукционный ток при возрастании силы тока во второй катушке? при убывании силы тока во второй катушке?

При возрастании силы тока во второй катушке (например, при уменьшении сопротивления реостата) возрастает и создаваемый ею магнитный поток. Индукционный ток в первой катушке, согласно правилу Ленца, будет направлен так, чтобы своим магнитным полем ослабить это возрастание (т.е. его поле будет направлено противоположно полю второй катушки). При убывании силы тока во второй катушке (при увеличении сопротивления реостата) магнитный поток убывает. Индукционный ток в первой катушке будет направлен так, чтобы своим полем поддержать убывающий поток (т.е. его поле будет сонаправлено с полем второй катушки).

Ответ: Направление индукционного тока при возрастании силы тока во второй катушке противоположно его направлению при убывании силы тока.

Сделайте выводы.

На основе проведенных опытов можно сделать следующие выводы о явлении электромагнитной индукции. Во-первых, индукционный электрический ток возникает в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Во-вторых, сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока: чем быстрее меняется магнитный поток, тем больше сила тока. В-третьих, направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур. Согласно правилу Ленца, индукционный ток всегда имеет такое направление, что его собственное магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Наконец, причиной изменения магнитного потока может быть как механическое перемещение источника поля (постоянного магнита) или самого контура, так и изменение силы тока в другом контуре (электромагните), создающем магнитное поле.

Ответ: Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него. Величина тока пропорциональна скорости изменения потока, а его направление определяется правилом Ленца.