Вопросы, страница 101 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. В каком опыте наблюдается явление самоиндукции при замыкании электрической цепи?

2. Как объясняется возникновение индукционного тока при размыкании электрической цепи?

3. Какие факты доказывают, что магнитное поле обладает энергией?

4. Что такое индуктивность?

5. Приведите пример использования явления самоиндукции.

6. Как определяется единица индуктивности в СИ и как она называется?

7. Что такое дроссель и для чего он используется при работе люминесцентной лампы?

1. В каком опыте наблюдается явление самоиндукции при замыкании электрической цепи?

Явление самоиндукции при замыкании цепи можно наблюдать в опыте с двумя параллельно соединенными цепями. Одна цепь содержит лампу накаливания и резистор, а вторая — такую же лампу и катушку с большой индуктивностью. При замыкании ключа лампа в цепи с резистором загорается практически мгновенно. Лампа же в цепи с катушкой индуктивности загорается с заметной задержкой. Это происходит потому, что при нарастании тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая, согласно правилу Ленца, препятствует этому нарастанию. В результате ток в цепи с катушкой достигает своего максимального значения не сразу, а постепенно, что и вызывает задержку в загорании лампы.

Ответ: В опыте с параллельным подключением двух ламп, одна из которых соединена последовательно с катушкой индуктивности. Лампа с катушкой загорается с задержкой, что демонстрирует явление самоиндукции, препятствующее нарастанию тока.

2. Как объясняется возникновение индукционного тока при размыкании электрической цепи?

При размыкании электрической цепи, содержащей катушку индуктивности, ток в ней начинает очень быстро убывать. Это приводит к быстрому изменению (уменьшению) магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Согласно закону электромагнитной индукции, такое быстрое изменение магнитного потока порождает в катушке ЭДС самоиндукции ($ \mathcal{E}_{si} = -L \frac{\Delta I}{\Delta t} $). По правилу Ленца, возникающий индукционный ток направлен так, чтобы противодействовать уменьшению магнитного потока, то есть он будет поддерживать исходное направление тока. Поскольку время размыкания $ \Delta t $ очень мало, возникающая ЭДС самоиндукции может достигать значений, во много раз превышающих ЭДС источника питания. Это приводит к возникновению кратковременного, но мощного индукционного тока, который часто проявляется в виде яркой искры или дуги между контактами выключателя.

Ответ: При размыкании цепи ток резко уменьшается, что вызывает быстрое изменение магнитного потока. Это индуцирует большую ЭДС самоиндукции, которая стремится поддержать ток, создавая мощный, но кратковременный индукционный ток, часто видимый как искра.

3. Какие факты доказывают, что магнитное поле обладает энергией?

Существование энергии у магнитного поля доказывается следующими фактами:

1. Возникновение искры или электрической дуги при размыкании цепи с индуктивностью. Эта искра — результат преобразования энергии, запасенной в магнитном поле катушки, в тепловую и световую энергию.
2. Работа, совершаемая источником тока против ЭДС самоиндукции при создании тока в катушке. Эта работа не выделяется в виде тепла (кроме джоулева тепла на активном сопротивлении), а накапливается в виде энергии магнитного поля. Энергия магнитного поля катушки определяется формулой $ W_м = \frac{L I^2}{2} $.
3. Существование сверхпроводящих соленоидов, в которых однажды созданный электрический ток может циркулировать практически вечно без внешнего источника, поддерживая сильное магнитное поле. Это возможно только потому, что энергия запасена в самом поле.

Ответ: Основными доказательствами являются: выделение энергии (искра) при исчезновении поля; работа, совершаемая источником для создания поля; способность сверхпроводящих магнитов сохранять поле и ток без подпитки энергией.

4. Что такое индуктивность?

Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — это физическая величина, характеризующая способность проводника или электрической цепи накапливать энергию магнитного поля при протекании по нему электрического тока. Она является коэффициентом пропорциональности между магнитным потоком $ \Phi $, создаваемым током в замкнутом контуре, и силой этого тока $\text{I}$.

$ \Phi = L \cdot I $

Отсюда индуктивность можно выразить как $ L = \frac{\Phi}{I} $. Также индуктивность определяет величину ЭДС самоиндукции $ \mathcal{E}_{si} $, возникающей в контуре при изменении силы тока в нём:

$ \mathcal{E}_{si} = -L \frac{dI}{dt} $

Индуктивность зависит от геометрических размеров и формы проводника, а также от магнитной проницаемости окружающей его среды.

Ответ: Индуктивность — это физическая величина, равная отношению создаваемого током магнитного потока к силе этого тока. Она характеризует способность контура противодействовать изменению тока в нём.

5. Приведите пример использования явления самоиндукции.

Явление самоиндукции широко используется в электротехнике и электронике. Одним из ярких примеров является работа дросселя (балласта) в схеме зажигания люминесцентной лампы. При запуске лампы специальный стартер на короткое время замыкает, а затем резко размыкает цепь. Резкое прерывание тока в дросселе (катушке индуктивности) приводит к возникновению кратковременного импульса высокого напряжения (ЭДС самоиндукции), достаточного для пробоя газа в лампе и её зажигания. Другие примеры включают:

• Индукционные катушки (катушки зажигания) в двигателях внутреннего сгорания для создания высоковольтной искры.
• Индуктивные фильтры в блоках питания для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
• Колебательные контуры в радиоприемниках и передатчиках, где индуктивность вместе с ёмкостью определяет резонансную частоту.

Ответ: Пример использования — дроссель в люминесцентной лампе, который создает высоковольтный импульс для зажигания лампы за счет ЭДС самоиндукции.

6. Как определяется единица индуктивности в СИ и как она называется?

В Международной системе единиц (СИ) единицей индуктивности является Генри (сокращенно — Гн, международное обозначение — H). Она названа в честь американского ученого Джозефа Генри.

Индуктивность контура равна 1 Генри, если при изменении силы тока в этом контуре на 1 Ампер за 1 секунду в нём возникает ЭДС самоиндукции, равная 1 Вольту.

Математически это выражается так: $ 1 \text{ Гн} = \frac{1 \text{ В}}{1 \text{ А/с}} = 1 \text{ В} \cdot \text{с} / \text{А} $. Также 1 Генри — это индуктивность такого контура, в котором ток силой 1 Ампер создает магнитный поток, равный 1 Веберу ($ 1 \text{ Гн} = 1 \text{ Вб} / \text{А} $).

Ответ: Единица индуктивности в СИ называется Генри (Гн). Контур имеет индуктивность 1 Гн, если при изменении тока со скоростью 1 А/с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

7. Что такое дроссель и для чего он используется при работе люминесцентной лампы?

Дроссель — это катушка индуктивности, как правило, с сердечником из ферромагнитного материала, обладающая значительным индуктивным сопротивлением переменному току. Название происходит от немецкого "drosseln" — душить, ограничивать.

В схеме люминесцентной лампы (в составе электромагнитного балласта) дроссель выполняет две ключевые функции:

1. Зажигание лампы: В момент включения ток протекает через дроссель и стартер. Когда стартер размыкает цепь, резкое исчезновение тока в дросселе создает кратковременный высоковольтный импульс ЭДС самоиндукции (до 1000 В). Этот импульс напряжения пробивает газовую среду внутри колбы лампы, вызывая начальный разряд.
2. Ограничение тока (балласт): После зажигания сопротивление газового разряда в лампе становится очень низким (лампа обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением). Если подключить её напрямую к сети, ток резко возрастет, что приведет к мгновенному выходу лампы из строя. Дроссель, включенный последовательно с лампой, своим индуктивным сопротивлением переменному току ($ X_L = \omega L = 2\pi f L $) ограничивает ток до рабочего значения и стабилизирует разряд.

Ответ: Дроссель — это катушка индуктивности. В люминесцентной лампе он используется для создания высоковольтного импульса при запуске (для зажигания газа) и для ограничения рабочего тока лампы после ее включения.