Номер 4, страница 173 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

4. Замкнутое медное кольцо подвешено на тонких длинных нитях вблизи соленоида, закрепленного на столе и подключенного к источнику постоянного тока (рис. 35.11). Первоначально электрическая цепь катушки разомкнута. Как будет двигаться кольцо при замыкании цепи? Ответ поясните, указав, какие физические явления, закономерности вы использовали для объяснения.

Рис. 35.11

При замыкании электрической цепи кольцо кратковременно оттолкнется от соленоида и, совершив колебательное движение, вернется в свое исходное положение равновесия.

Это явление объясняется следующим образом. Когда ключ в цепи замыкается, через витки соленоида начинает протекать электрический ток. Этот ток нарастает от нуля до своего установившегося значения не мгновенно, а в течение некоторого времени. Нарастающий ток создает вокруг соленоида переменное магнитное поле, которое усиливается со временем.

Это переменное магнитное поле пронизывает замкнутое медное кольцо, создавая в нем переменный магнитный поток $\Phi$. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока через замкнутый проводящий контур вызывает в нем электродвижущую силу (ЭДС) индукции: $\mathcal{E}_{i} = - \frac{d\Phi}{dt}$. Поскольку кольцо является замкнутым проводником, в нем под действием этой ЭДС возникает индукционный ток.

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца, которое гласит, что индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им собственное магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. В нашем случае, так как магнитный поток от соленоида через кольцо увеличивается, индукционный ток в кольце создаст свое магнитное поле, направленное навстречу полю соленоида.

В результате такого взаимодействия соленоид и кольцо будут вести себя как два магнита, обращенные друг к другу одноименными полюсами. Как известно, одноименные полюса отталкиваются. Следовательно, между соленоидом и кольцом возникнет сила отталкивания. Под действием этой силы кольцо, свободно подвешенное на нитях, придет в движение и отклонится от соленоида.

Через короткий промежуток времени ток в цепи соленоида достигнет постоянного значения, и создаваемое им магнитное поле станет постоянным. В этот момент изменение магнитного потока через кольцо прекратится ($\frac{d\Phi}{dt} = 0$). Соответственно, исчезнет и индукционный ток в кольце. Сила магнитного отталкивания пропадет, и кольцо под действием силы тяжести вернется в первоначальное положение равновесия.

Ответ: В момент замыкания цепи кольцо оттолкнется от соленоида. Это произойдет из-за того, что нарастающий ток в соленоиде создаст переменный магнитный поток, который индуцирует в кольце ток. По правилу Ленца, магнитное поле этого тока будет противодействовать полю соленоида, что приведет к силе отталкивания. После того как ток в соленоиде станет постоянным, индукция прекратится, и кольцо вернется в исходное положение.