Экспериментальное задание 21.1, страница 91 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 21.1

Работаем в группе

Исследование явления электромагнитной индукции

Оборудование: две катушки, железный сердечник, постоянный магнит, миллиамперметр, провода, источник постоянного тока, ключ.

Исследуйте, при каких условиях в электрической цепи возникает индукционный ток и от чего зависят направление и сила тока.

Порядок выполнения задания

1. Расположите рядом две катушки. Соедините концы первой катушки с клеммами миллиамперметра, концы второй катушки через ключ с полюсами источника постоянного тока. Понаблюдайте за показаниями миллиамперметра в цепи первой катушки при замыкании и размыкании цепи второй катушки (рис. 21.3).

2. Вставьте железный сердечник внутрь катушек и повторите опыт (рис. 21.4).

3. Соедините концы одной катушки с клеммами миллиамперметра. Введите магнит южным полюсом в катушку, а затем удалите его (рис. 21.5). Пронаблюдайте, что происходит со стрелкой миллиамперметра в обоих случаях.

4. Выполните такие же опыты, поднося магнит северным полюсом к катушке.

5. Повторите опыты, оставив магнит неподвижным и двигая катушку (рис. 21.6).

6. Исследуйте, зависит ли сила индукционного тока в катушке от скорости движения магнита.

7. Расположите южный полюс магнита против середины катушки перпендикулярно её оси (рис. 21.7), затем отодвиньте магнит от катушки. Возникает ли индукционный ток при таком движении магнита?

Рис. 21.3

Рис. 21.4

Рис. 21.5

Рис. 21.6

Рис. 21.7

1. Расположите рядом две катушки. Соедините концы первой катушки с клеммами миллиамперметра, концы второй катушки через ключ с полюсами источника постоянного тока. Понаблюдайте за показаниями миллиамперметра в цепи первой катушки при замыкании и размыкании цепи второй катушки (рис. 21.3).

При замыкании ключа в цепи второй катушки (первичной обмотки) в ней начинает течь ток, создавая вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле нарастает от нуля до некоторого постоянного значения. Поскольку катушки расположены рядом, изменяющийся магнитный поток от второй катушки пронизывает первую катушку (вторичную обмотку). Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока приводит к возникновению кратковременного индукционного тока в первой катушке, что фиксируется отклонением стрелки миллиамперметра. Как только ток во второй катушке становится постоянным, ее магнитное поле перестает меняться, магнитный поток через первую катушку становится постоянным, и индукционный ток в ней прекращается (стрелка возвращается к нулю).

При размыкании ключа ток во второй катушке падает до нуля, ее магнитное поле исчезает. Это снова приводит к изменению магнитного потока через первую катушку, и в ней опять возникает кратковременный индукционный ток. Согласно правилу Ленца, направление этого тока будет противоположным тому, что наблюдался при замыкании цепи. Стрелка миллиамперметра отклонится в другую сторону.

Ответ: Индукционный ток в первой катушке возникает только в моменты замыкания и размыкания цепи второй катушки, то есть когда изменяется ток во второй катушке и, как следствие, создаваемый ею магнитный поток. Направление тока при размыкании цепи противоположно направлению тока при ее замыкании.

2. Вставьте железный сердечник внутрь катушек и повторите опыт (рис. 21.4).

Железный сердечник является ферромагнетиком и обладает высокой магнитной проницаемостью ($μ$). Помещенный внутрь катушек, он многократно усиливает магнитное поле, создаваемое током во второй катушке. Вследствие этого, изменение магнитного потока ($ΔΦ$) при замыкании и размыкании цепи становится значительно больше. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ε_{ind} = - \frac{ΔΦ}{Δt}$. Так как сила индукционного тока равна $I_{ind} = \frac{ε_{ind}}{R}$, ее значение также возрастет. На практике это будет видно по гораздо большему отклонению стрелки миллиамперметра по сравнению с опытом без сердечника.

Ответ: При использовании железного сердечника сила индукционного тока значительно увеличивается, поскольку сердечник усиливает магнитное поле и, следовательно, величину изменения магнитного потока.

3. Соедините концы одной катушки с клеммами миллиамперметра. Введите магнит южным полюсом в катушку, а затем удалите его (рис. 21.5). Пронаблюдайте, что происходит со стрелкой миллиамперметра в обоих случаях.

При введении магнита южным полюсом в катушку, магнитный поток, пронизывающий ее витки, увеличивается. Это изменение потока вызывает появление индукционного тока, и стрелка миллиамперметра отклоняется в определенную сторону. Когда магнит вынимают из катушки, магнитный поток через нее уменьшается. Это также вызывает индукционный ток, но его направление будет противоположным, поэтому стрелка прибора отклонится в другую сторону. Если магнит неподвижен внутри или снаружи катушки, магнитный поток не меняется, и ток не возникает.

Ответ: При движении магнита относительно катушки в ней возникает индукционный ток. При внесении магнита в катушку и при его извлечении ток имеет противоположные направления.

4. Выполните такие же опыты, поднося магнит северным полюсом к катушке.

При повторении опыта с северным полюсом магнита явление электромагнитной индукции также наблюдается. Однако, поскольку направление линий магнитного поля у северного полюса противоположно направлению у южного, то и направление индукционного тока при тех же действиях (внесение/извлечение) будет противоположным. Например, направление тока при внесении северного полюса будет таким же, как при извлечении южного, и наоборот. Это следует из правила Ленца, согласно которому индуцированное магнитное поле всегда противодействует изменению внешнего магнитного потока.

Ответ: Направление индукционного тока зависит от того, какой полюс магнита используется. При замене южного полюса на северный (при сохранении направления движения) направление индукционного тока меняется на противоположное.

5. Повторите опыты, оставив магнит неподвижным и двигая катушку (рис. 21.6).

Явление электромагнитной индукции определяется относительным движением источника поля (магнита) и контура (катушки). Не имеет значения, что именно движется. Перемещение катушки относительно неподвижного магнита приводит к точно такому же изменению магнитного потока через катушку, как и перемещение магнита относительно неподвижной катушки с той же относительной скоростью. Следовательно, результаты эксперимента будут полностью аналогичны тем, что получены в пунктах 3 и 4.

Ответ: Индукционный ток возникает в результате относительного движения магнита и катушки. Эффект не зависит от того, движется ли катушка или магнит.

6. Исследуйте, зависит ли сила индукционного тока в катушке от скорости движения магнита.

Сила индукционного тока, согласно закону Фарадея, пропорциональна ЭДС индукции, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока ($ε_{ind} \propto \frac{ΔΦ}{Δt}$). Чем быстрее движется магнит, тем за меньшее время ($Δt$) происходит изменение потока ($ΔΦ$), а значит, скорость его изменения ($ΔΦ/Δt$) выше. Это приводит к возникновению большей ЭДС индукции и, соответственно, большей силы тока. Наблюдения покажут, что чем быстрее вносить или вынимать магнит, тем на больший угол отклоняется стрелка миллиамперметра.

Ответ: Сила индукционного тока прямо пропорциональна скорости относительного движения магнита и катушки.

7. Расположите южный полюс магнита против середины катушки перпендикулярно её оси (рис. 21.7), затем отодвиньте магнит от катушки. Возникает ли индукционный ток при таком движении магнита?

Индукционный ток возникает только при изменении магнитного потока, то есть числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь, ограниченную витками катушки. Когда магнит расположен сбоку от катушки и движется перпендикулярно ее оси (т.е. параллельно плоскости витков), линии магнитной индукции либо не проходят сквозь витки, либо проходят симметрично так, что суммарный поток через катушку равен нулю. При таком движении число линий, пересекающих контур, не меняется. Следовательно, магнитный поток остается постоянным ($ΔΦ = 0$), и индукционный ток не возникает.

Ответ: Нет, при таком движении магнита индукционный ток не возникает, так как не происходит изменения магнитного потока через катушку.

Общие выводы по итогам эксперимента:

1. Условия возникновения индукционного тока: индукционный ток возникает в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

2. От чего зависит направление индукционного тока: направление тока зависит от направления изменения магнитного потока (увеличивается или уменьшается) и от направления самого магнитного поля (т.е. от полюса магнита).

3. От чего зависит сила индукционного тока: сила тока тем больше, чем выше скорость изменения магнитного потока. Она зависит от скорости относительного движения контура и источника поля, от силы магнита, а также от параметров катушки (число витков, наличие сердечника).