Страница 215 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 164—166? Как они проводились?

1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 164—166? Как они проводились?

Опыты, о которых идет речь (предположительно, классические опыты Майкла Фарадея), ставились с целью исследования связи между электрическими и магнитными явлениями.

Цель опытов: Основная цель заключалась в том, чтобы выяснить, может ли магнитное поле создавать электрический ток. До этих экспериментов было известно обратное явление (опыт Эрстеда): электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Фарадей стремился доказать существование обратного процесса и открыть явление, которое позже назвали электромагнитной индукцией.

Как проводились опыты:

• Опыт с постоянным магнитом и катушкой (рис. 164, 165): Катушку, состоящую из большого числа витков провода, подключали к гальванометру — чувствительному прибору для регистрации электрического тока. При вдвигании постоянного магнита в катушку или его выдвижении из неё, стрелка гальванометра отклонялась. Это свидетельствовало о возникновении в цепи кратковременного электрического тока, названного индукционным. Важным наблюдением было то, что ток возникал только во время движения магнита относительно катушки. Когда магнит и катушка были неподвижны друг относительно друга, ток в цепи отсутствовал. Направление индукционного тока зависело от направления движения магнита и от того, какой полюс (северный или южный) использовался.
• Опыт с двумя катушками (рис. 166): Использовались две катушки, расположенные близко друг к другу. Одну катушку (первичную) подключали к источнику тока через ключ. Вторую катушку (вторичную) замыкали на гальванометр. Индукционный ток во вторичной катушке возникал только в моменты замыкания или размыкания цепи первичной катушки, а также при изменении силы тока в ней (например, при помощи реостата). Таким образом, ток во вторичной катушке появлялся только тогда, когда изменялось магнитное поле, создаваемое током в первичной катушке.

Ответ: Целью опытов было открытие и изучение явления электромагнитной индукции — возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении пронизывающего его магнитного поля. Опыты проводились путем создания относительного движения между катушкой и магнитом или путем изменения силы тока в соседней катушке.

2. При каком условии в опытах возникает индукционный ток в катушке?

Анализируя результаты экспериментов, Майкл Фарадей установил общее и фундаментальное условие возникновения индукционного тока.

Индукционный ток в замкнутом проводящем контуре (катушке) возникает тогда и только тогда, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий поверхность, ограниченную этим контуром.

Магнитный поток ($\Phi$) — это физическая величина, которая характеризует число линий магнитной индукции, проходящих через заданную поверхность. Он определяется по формуле:

$\Phi = B \cdot S \cdot \cos{\alpha}$

где $B$ — модуль вектора магнитной индукции, $S$ — площадь контура, а $\alpha$ — угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура.

Следовательно, изменение магнитного потока ($\Delta\Phi$) происходит, если изменяется хотя бы одна из трех величин:

• величина магнитной индукции $B$ (например, при приближении/удалении магнита или изменении тока в первичной обмотке);
• площадь контура $S$, охваченная магнитным полем (например, при деформации контура);
• ориентация контура в магнитном поле, то есть угол $\alpha$ (например, при вращении рамки в поле).

Во всех описанных опытах причиной возникновения индукционного тока было именно изменение магнитного потока.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникает при любом изменении магнитного потока, проходящего через витки этой катушки.

2. При каком условии в опытах (см. рис. 164, 165) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?

Как они проводились?

Опыты по изучению электромагнитной индукции, к которым относятся изображения 164-166, проводились несколькими способами для демонстрации возникновения тока без прямого подключения к источнику.

Опыт с движущимся магнитом (рис. 164): Катушку, состоящую из множества витков провода, подключали к чувствительному гальванометру. Когда в катушку вносили или из нее вынимали постоянный магнит, стрелка гальванометра отклонялась, что свидетельствовало о возникновении электрического тока. Ток существовал только во время движения магнита. Если магнит оставался неподвижным внутри или снаружи катушки, ток не возникал.

Опыт с двумя катушками (рис. 165 и 166): Две катушки располагали рядом друг с другом. Первую (первичную) катушку подключали к источнику питания через ключ. Вторую (вторичную) катушку замыкали на гальванометр. В момент замыкания или размыкания цепи первичной катушки гальванометр регистрировал кратковременный ток во вторичной катушке. Ток также индуцировался во вторичной катушке, если при замкнутой цепи первичной катушки изменять в ней силу тока (например, с помощью реостата, как на рис. 166) или перемещать катушки относительно друг друга.

Ответ: Опыты проводились путем перемещения магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, а также путем изменения силы тока в одной катушке и наблюдения за возникновением тока в другой, расположенной рядом.

2. При каком условии в опытах (см. рис. 164, 165) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?

Во всех рассмотренных опытах индукционный ток в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал тогда и только тогда, когда изменялся магнитный поток, пронизывающий эту катушку.

Магнитный поток — это физическая величина, характеризующая число линий магнитной индукции, проходящих через некоторую поверхность (в данном случае, через площадь, ограниченную витками катушки). Изменение магнитного потока могло быть вызвано:

— изменением магнитного поля во времени (как в опыте с двумя катушками при замыкании/размыкании цепи или изменении силы тока);

— движением контура в постоянном магнитном поле (как в опыте с движением магнита относительно катушки);

— изменением ориентации контура в магнитном поле.

Пока магнитный поток, проходящий через катушку, оставался постоянным, индукционный ток не возникал.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникал при любом изменении магнитного потока, пронизывающего витки этой катушки.

3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводящем контуре при изменении магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром. Если контур замкнут, то возникающая ЭДС создает в нем электрический ток, называемый индукционным.

Величина ЭДС индукции $ \mathcal{E}_{i} $ определяется законом электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону, ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока $ \Phi $ через контур. Математически это выражается формулой:

$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{d\Phi}{dt} $

Знак «минус» в этой формуле является выражением правила Ленца, которое гласит: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Ответ: Явление электромагнитной индукции — это возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре вследствие изменения магнитного потока, проходящего через площадь, ограниченную этим контуром.

3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?

3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?

Явление электромагнитной индукции — это возникновение электрического тока, электрического поля или электрической поляризации в проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Это одно из фундаментальных явлений электромагнетизма, открытое английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году.

Суть явления заключается в том, что любое изменение магнитного поля во времени порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Если в область этого поля поместить замкнутый проводник, то свободные носители заряда в нём (электроны) придут в упорядоченное движение под действием сил этого электрического поля, создавая электрический ток. Этот ток получил название индукционного тока.

Количественно явление описывается законом электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону, электродвижущая сила (ЭДС) индукции $ \mathcal{E}_{i} $, возникающая в замкнутом контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока $ \Phi $ через поверхность, ограниченную этим контуром: $$ \mathcal{E}_{i} = -\frac{d\Phi}{dt} $$ Знак «минус» в этой формуле отражает правило Ленца, согласно которому индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Изменение магнитного потока может быть вызвано различными причинами:

• изменением величины индукции магнитного поля, пронизывающего контур;
• движением контура (или его части) в постоянном магнитном поле, что приводит к изменению площади контура, охваченной полем;
• изменением ориентации контура по отношению к линиям магнитной индукции (например, при вращении рамки в магнитном поле).

Ответ: Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Оно было открыто М. Фарадеем и описывается законом $ \mathcal{E}_{i} = -d\Phi/dt $, где ЭДС индукции $ \mathcal{E}_{i} $ пропорциональна скорости изменения магнитного потока $ d\Phi/dt $, а направление тока определяется правилом Ленца.

4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

Открытие явления электромагнитной индукции имеет колоссальное фундаментальное и практическое значение, являясь одним из величайших достижений в истории науки и техники.

Фундаментальная важность:

• Связь электричества и магнетизма: Открытие Фарадея впервые продемонстрировало глубокую и неразрывную связь между электрическими и магнитными явлениями. Оно показало, что переменное магнитное поле является источником электрического поля, дополнив открытие Эрстеда, который показал, что электрический ток создает магнитное поле.
• Основа классической электродинамики: Закон электромагнитной индукции стал одним из четырех уравнений Максвелла — фундаментальной системы уравнений, описывающей все электромагнитные явления. Эта теория объединила электричество, магнетизм и оптику, предсказав существование электромагнитных волн.

Практическая (технологическая) важность:

На принципе электромагнитной индукции основана работа подавляющего большинства устройств, которые производят и преобразуют электрическую энергию. Без этого открытия современная цивилизация, основанная на электричестве, была бы невозможна.

• Производство электроэнергии: Практически вся электроэнергия в мире вырабатывается на электростанциях (тепловых, атомных, гидравлических, ветряных) с помощью электрических генераторов. Генераторы преобразуют механическую энергию вращения в электрическую именно благодаря явлению электромагнитной индукции.
• Трансформаторы: Эти устройства используются для повышения или понижения напряжения переменного тока. Они являются ключевым элементом систем передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями (энергию передают при очень высоком напряжении) и последующего понижения напряжения до бытового уровня.
• Электродвигатели: В частности, асинхронные двигатели, самые распространенные в промышленности и быту, работают на основе создания вращающегося магнитного поля, которое индуцирует токи в роторе и заставляет его вращаться.
• Другие многочисленные применения:
  • Индукционные плиты для приготовления пищи.
  • Бесконтактные (беспроводные) зарядные устройства для телефонов и других гаджетов.
  • Металлодетекторы.
  • Динамические микрофоны, звукосниматели для электрогитар.
  • Системы считывания данных с магнитных носителей (жесткие диски, банковские карты).

Ответ: Важность открытия явления электромагнитной индукции заключается в том, что оно установило фундаментальную связь между электричеством и магнетизмом, легло в основу теории электромагнетизма Максвелла и, что наиболее значимо для цивилизации, стало физическим принципом работы всех электрогенераторов, производящих электроэнергию, а также трансформаторов, электродвигателей и множества других важнейших технических устройств.

4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

Открытие явления электромагнитной индукции Майклом Фарадеем в 1831 году стало одним из ключевых событий в истории науки и техники. Его важность имеет два основных аспекта: фундаментальный научный и практический.

Фундаментальное научное значение:

• Установление связи между электричеством и магнетизмом. До Фарадея электрические и магнитные явления рассматривались как отдельные, не связанные друг с другом. Открытие электромагнитной индукции, то есть возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении пронизывающего его магнитного потока, доказало их неразрывную связь. Это положило начало формированию единой теории электромагнетизма.
• Основа для теории Максвелла. Закон электромагнитной индукции, который количественно описывает это явление ($ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $), стал одним из четырех фундаментальных уравнений в теории электромагнетизма, разработанной Джеймсом Клерком Максвеллом. Эта теория не только полностью описала все известные на тот момент электромагнитные явления, но и предсказала существование электромагнитных волн. Это, в свою очередь, привело к открытию радио и пониманию природы света, заложив основы для всей современной физики.

Практическое значение и применение:

• Производство электроэнергии. Явление электромагнитной индукции — это физический принцип, лежащий в основе работы всех электрогенераторов. На гидроэлектростанциях, тепловых, атомных и ветряных станциях механическая энергия вращения турбин преобразуется в электрическую именно благодаря индукции. Без этого открытия была бы невозможна современная электроэнергетика и массовая электрификация.
• Электродвигатели. Обратный процесс — возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле — лежит в основе работы электродвигателей. Они преобразуют электрическую энергию в механическую и являются движущей силой практически всех механизмов: от бытовой техники (миксеры, стиральные машины) и электроинструментов до промышленного оборудования, электропоездов и электромобилей.
• Трансформаторы. Для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями необходимо изменять напряжение тока. Эту задачу выполняют трансформаторы, действие которых целиком основано на явлении электромагнитной индукции. Они позволяют эффективно повышать и понижать напряжение в сетях переменного тока.
• Множество других устройств. Принцип индукции используется в бесчисленном количестве современных технологий, включая индукционные варочные панели, системы беспроводной зарядки гаджетов, металлодетекторы, динамические микрофоны, звукосниматели электрогитар, системы считывания данных с магнитных носителей (например, жестких дисков) и многое другое.

Таким образом, открытие электромагнитной индукции вызвало технологическую революцию, которая сформировала современный мир, основанный на повсеместном использовании электричества.

Ответ:
Важность открытия явления электромагнитной индукции заключается в том, что оно, во-первых, стало фундаментальной основой для современной физической теории электромагнетизма, а во-вторых, обеспечило технологическую возможность для промышленного производства, передачи и использования электроэнергии. На этом явлении основана работа электрогенераторов, электродвигателей и трансформаторов — устройств, которые лежат в основе всей современной электротехники и энергетики и определяют технологический уклад нашей цивилизации.

За счёт чего менялся магнитный поток в опытах, изображённых на рисунках 164—166?

Магнитный поток $\Phi$ — это физическая величина, которая определяется формулой $\Phi = B S \cos\alpha$, где $B$ — модуль индукции магнитного поля, $S$ — площадь контура, а $\alpha$ — угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура. Изменение магнитного потока со временем приводит к возникновению индукционного тока в замкнутом контуре. В опытах, изображённых на рисунках 164–166, изменение магнитного потока достигается различными способами.

Опыт на рисунке 164: В этом опыте постоянный магнит перемещается относительно неподвижной катушки, замкнутой на гальванометр. Постоянный магнит создаёт в окружающем пространстве неоднородное магнитное поле, индукция $B$ которого зависит от расстояния до магнита. Когда магнит вдвигают в катушку или выдвигают из неё, изменяется расстояние между магнитом и витками катушки. Это приводит к изменению модуля магнитной индукции $B$, пронизывающей площадь катушки, и, как следствие, к изменению магнитного потока.
Ответ: Магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля $B$ вследствие относительного движения магнита и катушки.

Опыт на рисунке 165: Здесь используются две катушки. Первая катушка подключена к источнику тока и является электромагнитом, создающим магнитное поле. Вторая катушка, подключенная к гальванометру, находится в магнитном поле первой. При перемещении одной катушки относительно другой изменяется их взаимное расположение. Так как магнитное поле первой катушки неоднородно, это перемещение вызывает изменение индукции магнитного поля $B$, пронизывающей вторую катушку, что и приводит к изменению магнитного потока через неё.

Ответ: Магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля $B$ (создаваемого первой катушкой), которое пронизывало вторую катушку, при их относительном движении.

Опыт на рисунке 166: В данном случае обе катушки неподвижны. Изменение магнитного потока достигается путём изменения силы тока в цепи первой катушки (первичной обмотки). Индукция магнитного поля $B$, создаваемого катушкой, прямо пропорциональна силе тока $I$ в ней. Силу тока можно изменить несколькими способами:

• Замыкая или размыкая ключ в цепи. При замыкании ток возрастает от нуля до некоторого значения, а при размыкании — убывает до нуля.
• Изменяя сопротивление цепи с помощью реостата. Уменьшение сопротивления ведёт к увеличению силы тока, а увеличение — к её уменьшению.

Любое изменение силы тока в первичной катушке приводит к изменению создаваемого ею магнитного поля, а значит, и к изменению магнитного потока через неподвижную вторичную катушку.

Ответ: Магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля $B$, которое было вызвано изменением силы тока в первичной катушке.

1. Как создать кратковременный индукционный ток в катушке К₂, изображённой на рисунке 163?

1. Найти:

Способы создания кратковременного индукционного тока в катушке K₂.

Решение:

Основой для ответа служит явление электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея, индукционный ток в замкнутом проводящем контуре (катушке K₂) возникает при любом изменении магнитного потока $ \Phi $, пронизывающего этот контур. Величина электродвижущей силы (ЭДС) индукции $ \mathcal{E}_{i} $ определяется скоростью изменения магнитного потока:

$ \mathcal{E}_{i} = - N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $

где $ \Delta \Phi $ – изменение магнитного потока через один виток за промежуток времени $ \Delta t $, а $ N $ – число витков в катушке. Возникшая ЭДС создает в катушке индукционный ток $ I_{i} = \mathcal{E}_{i} / R $, где $ R $ – сопротивление катушки K₂.

Поскольку на рисунке 163 (предполагается стандартная схема опыта, где катушка K₂ находится в магнитном поле, создаваемом катушкой K₁) магнитный поток через K₂ напрямую зависит от силы тока $ I_1 $ в катушке K₁. Таким образом, для создания индукционного тока в катушке K₂ необходимо вызвать изменение тока в катушке K₁ или изменить их взаимное расположение, что приведет к изменению магнитного потока.

Существует несколько способов это сделать:

1. Замыкание или размыкание цепи катушки K₁. При замыкании ключа в цепи, к которой подключена катушка K₁, ток в ней возрастает от нуля до некоторого установившегося значения. Это изменение тока порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает изменяющийся магнитный поток через катушку K₂. В результате в K₂ возникает кратковременный индукционный ток. Аналогично, при размыкании цепи ток в K₁ падает до нуля, что снова вызывает появление кратковременного индукционного тока в K₂, но уже в противоположном направлении.
2. Изменение силы тока в катушке K₁ с помощью реостата. Если цепь катушки K₁ замкнута и содержит реостат, то, изменяя его сопротивление (передвигая ползунок), можно плавно или скачкообразно менять силу тока $ I_1 $. Любое изменение тока $ I_1 $ вызовет изменение магнитного потока через K₂ и, как следствие, индуцирует в ней ток.
3. Изменение взаимного расположения катушек. Если по катушке K₁ протекает постоянный ток, индукционный ток в K₂ можно создать, перемещая катушки друг относительно друга. Например, можно вдвигать одну катушку в другую или выдвигать ее. При этом изменяется та часть магнитного поля катушки K₁, которая пронизывает витки катушки K₂, то есть меняется магнитный поток, что и приводит к возникновению тока.
4. Введение или извлечение железного сердечника. Если катушки надеты на общий каркас, можно вводить внутрь катушек или извлекать из них железный сердечник. Железо является ферромагнетиком и значительно усиливает магнитное поле. Поэтому при его введении (при постоянном токе в K₁) магнитный поток через K₂ резко возрастет, что вызовет индукционный ток. Извлечение сердечника приведет к уменьшению потока и возникновению тока противоположного направления.

Ответ: Кратковременный индукционный ток в катушке K₂ можно создать любым способом, который приводит к изменению магнитного потока через эту катушку. Основные способы: 1) замыкать или размыкать цепь с катушкой K₁; 2) изменять силу тока в катушке K₁ при помощи реостата; 3) перемещать катушки K₁ и K₂ относительно друг друга; 4) вводить или вынимать общий железный сердечник из катушек.

2. Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 167). Стрелки, изображённые рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси OO'. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Решение

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, индукционный ток в замкнутом проводящем контуре возникает тогда, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий поверхность, ограниченную этим контуром. Магнитный поток $\Phi$ через плоский контур площадью $S$ в однородном магнитном поле с индукцией $B$ определяется формулой:

$\Phi = B \cdot S \cdot \cos(\alpha)$

где $\alpha$ — угол между вектором магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью (перпендикуляром) $\vec{n}$ к плоскости контура.

В условиях задачи магнитное поле однородно ($B = \text{const}$), а кольцо является жестким ($S = \text{const}$). Следовательно, индукционный ток может возникнуть только в том случае, если в процессе движения кольца изменяется угол $\alpha$, то есть изменяется ориентация плоскости кольца относительно линий магнитной индукции.

Рассмотрим каждый случай отдельно.

а) Кольцо движется поступательно вдоль линий магнитной индукции. В этом случае угол $\alpha$ между нормалью к плоскости кольца и вектором магнитной индукции остается постоянным. Магнитный поток $\Phi$ не изменяется.
Ответ: индукционный ток не возникает.

б) Кольцо движется поступательно вдоль линий магнитной индукции, при этом его плоскость параллельна этим линиям. В этом случае угол $\alpha$ между нормалью к плоскости кольца и вектором магнитной индукции остается постоянным ($\alpha = 90^\circ$). Магнитный поток $\Phi = B \cdot S \cdot \cos(90^\circ) = 0$ и не изменяется.
Ответ: индукционный ток не возникает.

в) Кольцо вращается вокруг оси $OO'$, являющейся его диаметром и перпендикулярной линиям магнитной индукции. При таком вращении угол $\alpha$ между нормалью к плоскости кольца и вектором магнитной индукции непрерывно изменяется (от $0^\circ$ до $180^\circ$ и обратно). Это приводит к изменению магнитного потока $\Phi(t) = B \cdot S \cdot \cos(\alpha(t))$.
Ответ: индукционный ток возникает.

г) Кольцо вращается вокруг оси $OO'$, являющейся его диаметром и параллельной линиям магнитной индукции. В этом случае вектор магнитной индукции $\vec{B}$ всегда параллелен оси вращения. Нормаль к плоскости кольца $\vec{n}$ перпендикулярна оси вращения, а значит, и вектору $\vec{B}$. Угол $\alpha$ между нормалью и вектором $\vec{B}$ всегда равен $90^\circ$. Магнитный поток $\Phi = B \cdot S \cdot \cos(90^\circ) = 0$ и не изменяется.
Ответ: индукционный ток не возникает.

д) Кольцо вращается вокруг оси $OO'$, перпендикулярной плоскости кольца и проходящей через его центр. Вектор нормали $\vec{n}$ к плоскости кольца параллелен оси вращения. Поскольку ось вращения перпендикулярна вектору $\vec{B}$, то и нормаль $\vec{n}$ всегда перпендикулярна вектору $\vec{B}$. Угол $\alpha$ между ними остается постоянным и равным $90^\circ$. Магнитный поток $\Phi = B \cdot S \cdot \cos(90^\circ) = 0$ и не изменяется.
Ответ: индукционный ток не возникает.