Вопросы, страница 91 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. При каких условиях возникает индукционный ток в катушке?

2. Как изменяется сила индукционного тока в проводнике при увеличении скорости его движения относительно магнитного поля?

3. Почему сила индукционного тока увеличивается при введении в катушку железного сердечника?

4. От чего зависит направление индукционного тока?

5. В каком случае перемещение магнита относительно катушки не вызывает индукционного тока?

1. При каких условиях возникает индукционный ток в катушке?

Индукционный ток в катушке возникает в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Основным и единственным условием его возникновения является изменение магнитного потока, пронизывающего контур катушки. Электродвижущая сила (ЭДС) индукции, которая создает ток, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

$ \mathcal{E}_i = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $

где $ \mathcal{E}_i $ — ЭДС индукции, а $ \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $ — скорость изменения магнитного потока. Если катушка образует замкнутую цепь с сопротивлением $\text{R}$, то в ней возникает индукционный ток $ I_i = \frac{\mathcal{E}_i}{R} $.

Изменить магнитный поток $ \Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha $ можно несколькими способами:

• Изменяя величину индукции магнитного поля $\text{B}$. Например, приближая или удаляя постоянный магнит от катушки, или изменяя силу тока в другой катушке (электромагните), создающей поле.
• Изменяя площадь контура $\text{S}$, охваченную магнитным полем. Например, деформируя катушку.
• Изменяя ориентацию катушки относительно линий магнитной индукции, то есть изменяя угол $ \alpha $ между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости витков катушки. Например, вращая катушку в магнитном поле.

Таким образом, любое относительное движение катушки и источника магнитного поля или изменение самого поля во времени, приводящее к изменению магнитного потока через катушку, вызывает в ней индукционный ток.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникает при любом изменении магнитного потока, пронизывающего эту катушку.

2. Как изменяется сила индукционного тока в проводнике при увеличении скорости его движения относительно магнитного поля?

Сила индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, напрямую зависит от скорости его движения. При увеличении скорости движения проводника относительно магнитного поля сила индукционного тока увеличивается.

Это объясняется тем, что ЭДС индукции в проводнике длиной $\text{l}$, движущемся со скоростью $\text{v}$ в магнитном поле с индукцией $\text{B}$, определяется формулой:

$ \mathcal{E}_i = B \cdot l \cdot v \cdot \sin\alpha $

где $ \alpha $ — угол между вектором скорости $\text{v}$ и вектором магнитной индукции $\text{B}$. Из формулы видно, что ЭДС индукции $ \mathcal{E}_i $ прямо пропорциональна скорости $\text{v}$.

С точки зрения закона Фарадея, увеличение скорости означает, что за то же время $ \Delta t $ проводник пересекает большее число линий магнитной индукции, то есть скорость изменения магнитного потока $ \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $ возрастает. Это приводит к увеличению ЭДС индукции, а следовательно, и силы индукционного тока $ I_i = \frac{\mathcal{E}_i}{R} $ (при постоянном сопротивлении цепи $\text{R}$).

Ответ: Сила индукционного тока увеличивается прямо пропорционально увеличению скорости движения проводника.

3. Почему сила индукционного тока увеличивается при введении в катушку железного сердечника?

Сила индукционного тока увеличивается при введении в катушку железного сердечника, потому что железо является ферромагнетиком. Ферромагнетики обладают свойством значительно усиливать внешнее магнитное поле.

Магнитная проницаемость железа $ \mu $ в сотни и тысячи раз больше магнитной проницаемости вакуума (и воздуха). Когда железный сердечник помещается внутрь катушки, он концентрирует на себе линии магнитной индукции и сам становится сильным магнитом. В результате общее магнитное поле внутри катушки, а значит и пронизывающий её магнитный поток $ \Phi $, многократно возрастает.

При любом изменении внешнего магнитного поля (например, при движении магнита) соответствующее изменение магнитного потока $ \Delta \Phi $ также оказывается во столько же раз больше, во сколько сердечник усиливает поле. Согласно закону Фарадея $ \mathcal{E}_i = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $, большее изменение потока за то же время приводит к возникновению большей ЭДС индукции и, как следствие, большей силы индукционного тока $ I_i $.

Ответ: Железный сердечник является ферромагнетиком и многократно усиливает магнитное поле, что приводит к большему изменению магнитного потока при тех же условиях и, следовательно, к увеличению силы индукционного тока.

4. От чего зависит направление индукционного тока?

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Это правило гласит, что индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им собственное магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Направление индукционного тока зависит от двух факторов:

1. Направление внешнего магнитного поля, пронизывающего контур.
2. Характер изменения магнитного потока — увеличивается он или уменьшается.

Например:

• Если магнитный поток через катушку увеличивается (например, магнит приближается к катушке), то индуцированный ток создаст магнитное поле, направленное против внешнего поля, чтобы ослабить его и скомпенсировать рост потока.
• Если магнитный поток через катушку уменьшается (например, магнит удаляется от катушки), то индуцированный ток создаст магнитное поле, направленное в ту же сторону, что и внешнее поле, чтобы поддержать его и противодействовать уменьшению потока.

Таким образом, направление тока зависит от направления движения магнита (или катушки) и от того, какой полюс магнита обращен к катушке.

Ответ: Направление индукционного тока зависит от направления внешнего магнитного поля и от того, увеличивается или уменьшается пронизывающий контур магнитный поток.

5. В каком случае перемещение магнита относительно катушки не вызывает индукционного тока?

Индукционный ток не возникает в том случае, если при перемещении магнита относительно катушки магнитный поток, пронизывающий витки катушки, не изменяется ($ \Delta \Phi = 0 $). Если нет изменения магнитного потока, то, согласно закону Фарадея, ЭДС индукции равна нулю, и ток не возникает.

Это может происходить в следующих ситуациях:

• Перемещение магнита таким образом, что его магнитные силовые линии не пересекают плоскость витков катушки. Например, если перемещать магнит в плоскости, параллельной плоскости витков катушки, но на некотором расстоянии от неё.
• Перемещение, при котором магнитные силовые линии скользят вдоль плоскости витков, не входя внутрь контура. Например, если ось магнита лежит в плоскости витка катушки, и магнит движется вдоль этой оси. В этом случае магнитный поток через виток равен нулю и не изменяется.
• Вращение симметричного магнита (например, стержневого) вокруг его собственной оси симметрии, если эта ось совпадает с осью катушки. В этом случае распределение магнитного поля вокруг оси не меняется, и магнитный поток через катушку остается постоянным.

Ответ: Перемещение магнита относительно катушки не вызывает индукционного тока, если это перемещение не приводит к изменению магнитного потока через катушку.