Номер 250, страница 117, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Материалы для повторения при подготовке к экзамену. 6. Электромагнитные явления - номер 250, страница 117.

Условие.

250. На гладких проводящих горизонтальных направляющих, находящихся в магнитном поле ($\vec{B}$), покоятся два металлических стержня (рис. 97). Стержень 1 толкают в направлении ($\vec{v}$), показанном на рисунке.

Рис. 97

а) Изменяется ли магнитный поток, пронизывающий проводящий контур, образованный стержнями и направляющими, при движении стержня 1?

б) Будет ли в этом проводящем контуре возникать индукционный ток?

в) Будет ли действовать сила Ампера на стержень 2? Обоснуйте ваш ответ.

г) В каком направлении начнёт двигаться стержень 2: влево или вправо?

Решение.

а) Изменяется ли магнитный поток, пронизывающий проводящий контур, образованный стержнями и направляющими, при движении стержня 1?

Проводящий контур образован стержнями 1 и 2 и участками горизонтальных направляющих между ними. Магнитный поток $\Phi$, пронизывающий контур, определяется формулой $\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha$, где $\text{B}$ – индукция магнитного поля, $\text{S}$ – площадь контура, а $\alpha$ – угол между вектором магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью к плоскости контура. В данном случае магнитное поле перпендикулярно плоскости контура, поэтому $\cos\alpha = 1$ и $\Phi = B \cdot S$. При движении стержня 1 влево площадь $\text{S}$ замкнутого контура, образованного стержнями и направляющими, уменьшается. Так как индукция магнитного поля $\text{B}$ постоянна, а площадь $\text{S}$ изменяется, то магнитный поток $\Phi$ через контур также изменяется (уменьшается).

Ответ: Да, изменяется.

б) Будет ли в этом проводящем контуре возникать индукционный ток?

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции. Так как контур замкнут и обладает конечным сопротивлением, возникновение ЭДС индукции приводит к появлению в нем индукционного тока $I_i = \frac{\mathcal{E}_i}{R}$, где $\mathcal{E}_i = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ – ЭДС индукции, а $\text{R}$ – сопротивление контура. Поскольку магнитный поток через контур изменяется (как показано в пункте а), в контуре будет возникать индукционный ток.

Ответ: Да, будет.

в) Будет ли действовать сила Ампера на стержень 2? Обоснуйте ваш ответ.

Сила Ампера – это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Ее величина определяется по формуле $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin\beta$. В пункте б) было установлено, что при движении стержня 1 в контуре возникает индукционный ток $I_i$. Этот ток протекает по всем элементам контура, включая стержень 2. Стержень 2 находится во внешнем магнитном поле с индукцией $\vec{B}$. Следовательно, на стержень 2, по которому протекает индукционный ток, будет действовать сила Ампера.

Ответ: Да, будет, так как по стержню 2, находящемуся в магнитном поле, протекает индукционный ток.

г) В каком направлении начнёт двигаться стержень 2: влево или вправо?

Направление индукционного тока определим по правилу Ленца. При движении стержня 1 влево площадь контура уменьшается. Внешний магнитный поток, направленный вверх (согласно рисунку), уменьшается. Индукционный ток, согласно правилу Ленца, создаст собственное магнитное поле, направленное так, чтобы воспрепятствовать уменьшению внешнего потока, то есть оно будет сонаправлено с внешним полем (тоже вверх). По правилу правой руки (или правилу буравчика), для создания магнитного поля, направленного вверх, индукционный ток в контуре должен течь против часовой стрелки. Это означает, что в стержне 2 ток будет направлен от нижней направляющей к верхней. Теперь определим направление силы Ампера, действующей на стержень 2, по правилу левой руки. Расположим левую руку так, чтобы вектор магнитной индукции $\vec{B}$ (направленный вверх) входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току в стержне 2 (от нижней направляющей к верхней). Тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Ампера – влево. Так как направляющие гладкие (трение отсутствует), стержень 2 начнет двигаться под действием силы Ампера влево.

Ответ: Стержень 2 начнет двигаться влево.