Творческое задание, страница 100 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Творческое задание

Придумайте и выполните опыт для проверки предположения о возможности возникновения явления самоиндукции при выключении тока в электрической цепи. Для выполнения опыта можете использовать приборы, имеющиеся в кабинете физики.

Решение:

Для проверки предположения о возникновении явления самоиндукции при выключении тока в электрической цепи необходимо разработать и провести опыт, который наглядно продемонстрирует это явление. Ниже представлено описание такого опыта.

Цель опыта: Экспериментально продемонстрировать возникновение большой ЭДС самоиндукции при размыкании электрической цепи, содержащей катушку индуктивности.

Оборудование:

• Источник постоянного тока (например, выпрямитель на 4–6 В);

• Катушка с большим числом витков и железным сердечником (дроссель), обладающая большой индуктивностью;

• Неоновая лампа, напряжение зажигания которой значительно выше напряжения источника тока (например, ~80 В);

• Ключ или выключатель;

• Соединительные провода.

Ход опыта:

1. Собрать электрическую цепь согласно схеме: катушку индуктивности и неоновую лампу соединить параллельно.

2. Получившуюся параллельную группу подключить к источнику постоянного тока через ключ.

3. Замкнуть ключ. Дать току в цепи установиться в течение нескольких секунд.

4. Резко разомкнуть ключ.

Наблюдения и объяснение:

В момент замыкания ключа (пункт 3) через катушку начинает протекать электрический ток. Напряжение на катушке и, следовательно, на параллельно соединенной с ней неоновой лампе равно напряжению источника питания (4–6 В). Этого напряжения недостаточно для того, чтобы неоновая лампа зажглась, поэтому она не горит.

В момент размыкания ключа (пункт 4) цепь питания разрывается, и ток, протекающий через катушку, начинает очень быстро уменьшаться. Согласно закону электромагнитной индукции, любое изменение магнитного потока через контур порождает в нем ЭДС индукции. В данном случае, изменение собственного магнитного потока катушки порождает ЭДС самоиндукции, которая описывается формулой: $\mathcal{E}_{си} = -L \frac{dI}{dt}$.

Здесь $\text{L}$ — индуктивность катушки, а $\frac{dI}{dt}$ — скорость изменения тока. При размыкании ключа ток изменяется очень быстро (знаменатель $\text{dt}$ очень мал), поэтому, несмотря на конечное изменение тока $\text{dI}$, величина ЭДС самоиндукции $\mathcal{E}_{си}$ может достигать очень больших значений (сотни вольт), значительно превосходящих напряжение источника. По правилу Ленца, возникающий индукционный ток направлен так, чтобы противодействовать уменьшению тока, то есть он поддерживает ток в замкнутом контуре, состоящем из катушки и лампы. Высокое напряжение, созданное ЭДС самоиндукции, прикладывается к неоновой лампе. Это напряжение превышает порог зажигания лампы, в результате чего наблюдается её короткая, но яркая вспышка.

Вывод:

Яркая вспышка неоновой лампы, которая происходит только в момент размыкания цепи, является прямым доказательством возникновения в катушке кратковременной, но очень большой ЭДС. Это явление и есть самоиндукция. Таким образом, опыт полностью подтверждает исходное предположение.

Ответ: Для проверки гипотезы о возникновении самоиндукции при выключении тока собирают цепь из источника тока, ключа и параллельно соединенных катушки с большой индуктивностью и неоновой лампы (рассчитанной на высокое напряжение). При замыкании ключа лампа не горит, так как напряжение источника мало. При размыкании ключа лампа дает яркую вспышку. Это объясняется тем, что при резком спаде тока в катушке возникает большая ЭДС самоиндукции ($\mathcal{E}_{си} = -L \frac{dI}{dt}$), напряжение которой оказывается достаточным для зажигания лампы. Этот опыт доказывает существование явления самоиндукции при выключении тока.