Обсуди с товарищем, страница 209 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Вопросы после параграфа. § 57. Электрический двигатель. Глава 3. Электромагнитные явления - страница 209.

Пусть рамка с током (см. рис. 159) повернулась на угол 90° и приняла положение, показанное пунктиром. Укажите направления сил, действующих в этот момент на стороны рамки. Почему рамка не останавливается в этом положении, а продолжает вращение?

Решение

Для ответа на вопрос рассмотрим стандартную схему расположения рамки в магнитном поле, как в простом электродвигателе. Пусть магнитное поле $\vec{B}$ создается постоянным магнитом и направлено горизонтально, например, слева направо (от северного полюса N к южному S). Рамка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр.

Укажите направления сил, действующих в этот момент на стороны рамки.

Когда рамка поворачивается на 90° от своего начального положения (в котором ее плоскость была параллельна линиям магнитного поля), она занимает вертикальное положение, показанное пунктиром. В этом положении плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитного поля.

Рассмотрим силы, действующие на стороны рамки в этот момент. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, — это сила Ампера, модуль которой определяется по формуле $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin \alpha$, где $I$ – сила тока, $B$ – индукция магнитного поля, $l$ – длина проводника, а $\alpha$ – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Направление силы определяется по правилу левой руки.

• На горизонтальные (верхнюю и нижнюю) стороны рамки: В этих сторонах ток течет параллельно ($\alpha = 0^\circ$) или антипараллельно ($\alpha = 180^\circ$) линиям магнитного поля. Поскольку $\sin 0^\circ = 0$ и $\sin 180^\circ = 0$, сила Ампера на эти стороны рамки не действует ($F_A = 0$).

• На вертикальные (боковые) стороны рамки: В этих сторонах ток направлен перпендикулярно линиям магнитного поля ($\alpha = 90^\circ$). Согласно правилу левой руки, на одну боковую сторону действует сила, направленная перпендикулярно плоскости рамки (например, "от нас"), а на другую – сила, направленная в противоположную сторону ("к нам"). Эти две силы равны по модулю, противоположны по направлению и лежат на одной прямой, проходящей через ось вращения. Они не создают вращающего момента, а лишь пытаются растянуть рамку.

Таким образом, в положении, когда плоскость рамки перпендикулярна магнитному полю, суммарный вращающий момент, действующий на рамку, равен нулю.

Ответ: В момент, когда рамка повернута на 90° и ее плоскость перпендикулярна линиям магнитного поля, на горизонтальные стороны силы не действуют. На вертикальные стороны действуют две равные по модулю и противоположно направленные силы. Эти силы лежат на одной прямой, проходящей через ось вращения, и не создают вращающего момента.

Почему рамка не останавливается в этом положении, а продолжает вращение?

Хотя в данном "мертвом" положении вращающий момент равен нулю, рамка не останавливается мгновенно по двум основным причинам:

1. Инерция: До достижения этого положения на рамку действовал вращающий момент, который сообщал ей угловое ускорение. К моменту прохождения вертикального положения рамка обладает некоторой угловой скоростью и, следовательно, моментом импульса. По инерции она "проскакивает" это положение равновесия.

2. Коллектор (коммутатор): В реальных электродвигателях, предназначенных для непрерывного вращения, используется специальное устройство – коллектор со щетками. В тот момент, когда рамка проходит положение, где вращающий момент становится равным нулю, коллектор переключает направление тока в рамке на противоположное. Это приводит к тому, что направление сил Ампера на вертикальные стороны рамки меняется на противоположное. В результате меняется и направление вращающего момента, и он снова начинает действовать в ту же сторону, в которую вращалась рамка, поддерживая ее непрерывное вращение.

Ответ: Рамка продолжает вращение, во-первых, благодаря инерции (накопленной угловой скорости), которая позволяет ей пройти положение с нулевым вращающим моментом. Во-вторых, в электродвигателях для обеспечения непрерывного вращения используется коллектор, который в этот момент изменяет направление тока в рамке, что приводит к изменению направления сил и поддержанию вращающего момента в нужном направлении.