Номер 1, страница 218 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Как вы думаете, почему прибор, изображённый на рисунке 168, изготовлен из алюминия? Как проходил бы опыт, если бы прибор был железным; медным?

Решение

Предположительно, на рисунке 168 изображён прибор для демонстрации явления электромагнитной индукции (правила Ленца). Чаще всего в таких опытах используется лёгкое алюминиевое кольцо или коромысло, которое взаимодействует с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом.

Как вы думаете, почему прибор, изображённый на рисунке 168, изготовлен из алюминия?

Алюминий выбран для изготовления прибора благодаря уникальному сочетанию трёх его свойств, которое делает эффект наиболее демонстративным. Во-первых, это низкая плотность ($ \rho_{Al} \approx 2700 \text{ кг/м}^3 $). Из-за лёгкости прибора даже относительно небольшая сила, возникающая вследствие электромагнитной индукции, способна вызвать его заметное движение (например, оттолкнуть кольцо на значительную высоту). Во-вторых, это хорошая электропроводность. При изменении магнитного поля в алюминиевом проводнике возникают значительные по величине индукционные (вихревые) токи, взаимодействие которых с магнитным полем и создаёт отталкивающую силу. В-третьих, алюминий является парамагнетиком, то есть он не обладает ферромагнитными свойствами. Это критически важно, поскольку ферромагнитный материал был бы просто сильно притянут к сердечнику электромагнита, что полностью скрыло бы более тонкий эффект индукционного отталкивания.

Как проходил бы опыт, если бы прибор был железным; медным?

Если бы прибор был железным:
Железо является ферромагнетиком. При включении тока в катушке электромагнита оно было бы с большой силой притянуто к его сердечнику. Сила ферромагнитного притяжения значительно превосходит силу индукционного отталкивания, возникающую в момент нарастания тока. В результате мы бы наблюдали не отталкивание, а лишь сильное притяжение прибора к магниту. Таким образом, опыт по демонстрации правила Ленца не удался бы.

Если бы прибор был медным:
Медь, как и алюминий, не является ферромагнетиком (она диамагнетик), поэтому сильного притяжения к сердечнику электромагнита не было бы. Электропроводность меди ($ \sigma_{Cu} $) выше, чем у алюминия ($ \sigma_{Al} $), поэтому индуцированные токи и, следовательно, выталкивающая сила ($ F $) были бы больше.
Однако медь значительно плотнее (тяжелее) алюминия ($ \rho_{Cu} \approx 8960 \text{ кг/м}^3 $ по сравнению с $ \rho_{Al} \approx 2700 \text{ кг/м}^3 $). Прибор из меди тех же размеров был бы примерно в 3,3 раза тяжелее алюминиевого.
Ускорение ($ a $), которое получает тело, прямо пропорционально силе и обратно пропорционально массе ($ a=F/m $). Так как масса пропорциональна плотности ($ \rho $), а сила — электропроводности ($ \sigma $), то ускорение оказывается пропорционально отношению $ \sigma/\rho $. Для алюминия это отношение значительно больше, чем для меди. Расчет показывает, что ускорение алюминиевого кольца будет более чем в два раза превышать ускорение медного. Следовательно, с медным прибором эффект отталкивания был бы заметно слабее, чем с алюминиевым.

Ответ:

Прибор изготовлен из алюминия, так как он лёгкий, является хорошим проводником и не проявляет сильных магнитных свойств (неферромагнетик). Это сочетание позволяет получить максимальный и наиболее наглядный результат в опыте по демонстрации электромагнитной индукции.

Если бы прибор был железным, он бы, как ферромагнетик, просто сильно притянулся к электромагниту, и опыт бы не получился.

Если бы прибор был медным, эффект индукционного отталкивания был бы слабее. Несмотря на лучшую проводимость, медь значительно тяжелее алюминия, из-за чего ускорение, сообщаемое прибору индукционной силой, было бы меньше.