Экспериментальное задание 21.2, страница 93 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 21.2

Работаем самостоятельно

Обнаружение индукционного тока в магнитном поле Земли

Оборудование: катушка, железный сердечник, миллиамперметр, провода, компас.

Выполните опыт Фарадея по обнаружению индукционного тока в катушке при её повороте в магнитном поле Земли.

Порядок выполнения задания

1. Возьмите катушку школьного разборного трансформатора на 220 В, расположите вертикально и вставьте в неё железный сердечник. Выводы катушки соедините проводниками с клеммами миллиамперметра (рис. 21.9).

Вертикальное положение катушки выбирают потому, что силовые линии магнитного поля Земли в средних широтах расположены под большим углом к горизонтальной плоскости. В этом случае большие изменения магнитного поля в катушке происходят при поворачивании катушки на $180^\circ$ вокруг горизонтальной оси, чем при повороте вокруг вертикальной оси.

2. Резко поверните катушку на $180^\circ$ вокруг горизонтальной оси. Заметьте направление отклонения стрелки миллиамперметра (рис. 21.10).

3. Верните катушку в исходное положение и заметьте направление отклонения стрелки миллиамперметра. Объясните результаты опытов.

Рис. 21.9

Рис. 21.10

Наблюдаемые в опытах явления объясняются законом электромагнитной индукции. Суть этого закона заключается в том, что при любом изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур (в данном случае, катушку), в этом контуре возникает электрический ток, называемый индукционным. Величина электродвижущей силы (ЭДС) индукции, вызывающей этот ток, определяется законом Фарадея: $E_i = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$. Здесь $\Delta\Phi$ – изменение магнитного потока за промежуток времени $\Delta t$. Магнитный поток через один виток катушки рассчитывается по формуле $\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha$, где $\text{B}$ – индукция магнитного поля, $\text{S}$ – площадь витка, а $\alpha$ – угол между направлением вектора магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью (перпендикуляром) $\vec{n}$ к плоскости витка.

Объяснение результатов, наблюдаемых в пункте 2

Катушка находится в магнитном поле Земли. В средних широтах силовые линии магнитного поля Земли направлены под углом к поверхности, поэтому существует как горизонтальная, так и вертикальная составляющая вектора магнитной индукции. При резком повороте катушки на 180° вокруг горизонтальной оси изменяется угол $\alpha$ между нормалью к виткам катушки и вектором магнитной индукции Земли. В начальном положении магнитный поток через катушку равен $\Phi_1$. После поворота на 180° нормаль к виткам катушки будет направлена в противоположную сторону, и магнитный поток станет равен $\Phi_2 = -\Phi_1$. Таким образом, изменение магнитного потока составляет $\Delta\Phi = \Phi_2 - \Phi_1 = -2\Phi_1$. Это изменение потока, согласно закону электромагнитной индукции, создает в катушке ЭДС индукции и, как следствие, индукционный ток. Миллиамперметр, включенный в цепь, регистрирует этот ток, и его стрелка отклоняется. Железный сердечник внутри катушки усиливает (концентрирует) магнитное поле, увеличивая тем самым магнитный поток и его изменение, что делает индукционный ток более заметным.

Ответ: При резком повороте катушки на 180° происходит быстрое изменение магнитного потока Земли, пронизывающего катушку. Согласно закону электромагнитной индукции, это изменение потока создает в катушке индукционный ток, который фиксируется отклонением стрелки миллиамперметра.

Объяснение результатов, наблюдаемых в пункте 3

Когда катушку возвращают в исходное положение, ее снова поворачивают на 180°, но в обратном направлении. Магнитный поток при этом изменяется от значения $\Phi_2 = -\Phi_1$ до исходного значения $\Phi_1$. Изменение магнитного потока в этом случае составляет $\Delta\Phi' = \Phi_1 - \Phi_2 = \Phi_1 - (-\Phi_1) = 2\Phi_1$. Мы видим, что изменение потока $\Delta\Phi'$ равно по величине, но противоположно по знаку изменению потока $\Delta\Phi$ при первом повороте ($\Delta\Phi' = -\Delta\Phi$). Из формулы для ЭДС индукции $E_i = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ следует, что индуцированная ЭДС также будет иметь противоположный знак. Это означает, что индукционный ток потечет в цепи в противоположном направлении. В результате стрелка миллиамперметра отклонится в сторону, противоположную той, что наблюдалась в пункте 2. Этот факт также соответствует правилу Ленца, согласно которому индукционный ток своим магнитным полем всегда противодействует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Ответ: При возвращении катушки в исходное положение магнитный поток снова изменяется, но на этот раз в противоположном направлении по сравнению с первым поворотом. В результате в катушке возникает индукционный ток, направленный в противоположную сторону, что приводит к отклонению стрелки миллиамперметра в другую сторону.