Страница 97 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

649. Какой полюс будет на заострённом конце гвоздя, если по намотанной вокруг него изолированной проволоке пропустить электрический ток (рис. 137)?

Рис. 137

Решение

Для определения магнитных полюсов электромагнита, созданного катушкой с током, воспользуемся правилом правой руки (или правилом буравчика).

1. Сначала определим направление электрического тока в обмотке. На схеме источника питания длинная черта обозначает положительный полюс (+), а короткая — отрицательный (–). Общепринято, что ток течет от положительного полюса к отрицательному.

2. На рисунке 137 видно, что провод от положительного полюса источника подходит к обмотке со стороны заострённого конца гвоздя. Ток, проходя по виткам, движется в сторону шляпки гвоздя. Таким образом, на верхней части гвоздя ток течет от острия к шляпке (справа налево).

3. Теперь применим правило правой руки для соленоида: если обхватить соленоид (гвоздь с намоткой) ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление на северный полюс (N).

4. Направим четыре пальца правой руки по направлению тока в верхней части обмотки (справа налево). В этом случае большой палец будет указывать влево, то есть в сторону шляпки гвоздя. Это означает, что у шляпки гвоздя образуется северный магнитный полюс (N).

5. Следовательно, на противоположном, заострённом конце гвоздя будет находиться южный магнитный полюс (S).

Ответ: на заострённом конце гвоздя будет южный полюс.

650. Какое положение займёт подвижный соленоид относительно магнита (рис. 138) при прохождении по соленоиду электрического тока?

Рис. 138

Решение

Когда по соленоиду протекает электрический ток, он создает вокруг себя магнитное поле и сам становится электромагнитом. Чтобы определить, как он будет взаимодействовать с постоянным магнитом, нужно определить его магнитные полюса.

Для этого воспользуемся правилом правой руки для соленоида. На рисунке стрелками показано направление тока $I$. В витках, которые находятся на передней, видимой нам стороне, ток течет сверху вниз. Если обхватить соленоид правой рукой так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению тока в витках, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление на северный полюс (N) соленоида.

Применив это правило к изображенному соленоиду, мы выясним, что большой палец будет указывать влево. Это означает, что левый торец соленоида, который обращен к постоянному магниту, является его северным полюсом (N), а правый торец — южным (S).

Постоянный магнит расположен так, что его северный полюс (N) также обращен к соленоиду. Таким образом, соленоид и магнит обращены друг к другу одноименными (северными) полюсами.

Согласно правилам взаимодействия магнитов, одноименные полюса отталкиваются. Так как соленоид подвешен и может свободно перемещаться, он будет отталкиваться от магнита.

Ответ: Соленоид оттолкнется от магнита и сдвинется вправо.

651. Над соленоидом (рис. 139) подвешен магнит. Что произойдёт с магнитом, если по соленоиду пропустить электрический ток? Что произойдёт при изменении направления тока в соленоиде?

Рис. 139

Что произойдёт с магнитом, если по соленоиду пропустить электрический ток?

Решение

Когда по соленоиду пропускают электрический ток, он становится электромагнитом. Направление магнитного поля соленоида можно определить с помощью правила правой руки. Согласно схеме, ток течёт от «+» к «–», то есть входит в соленоид сверху. Направление намотки провода таково, что на передней, видимой нам, стороне соленоида ток будет направлен вниз.
Если посмотреть на верхний торец соленоида, мы увидим, что ток в витке движется против часовой стрелки. Согласно правилу буравчика (или правилу правой руки для катушки), торец, при взгляде на который ток течет против часовой стрелки, является северным полюсом (N). Следовательно, верхний торец соленоида станет северным полюсом, а нижний — южным.
Постоянный магнит подвешен так, что его северный полюс (N) обращен к соленоиду. Так как одноимённые полюса (N и N) отталкиваются, между магнитом и соленоидом возникнет сила отталкивания. Эта сила заставит магнит подняться вверх, сжимая пружину.

Ответ: Магнит оттолкнётся от соленоида и поднимется вверх, сжимая пружину.

Что произойдёт при изменении направления тока в соленоиде?

Решение

Если изменить направление тока, он будет входить в соленоид снизу и выходить сверху. На передней стороне соленоида ток будет направлен вверх. В этом случае, если посмотреть на верхний торец соленоида, ток в витке будет течь по часовой стрелке.
Согласно тому же правилу, торец, при взгляде на который ток течёт по часовой стрелке, является южным полюсом (S). Таким образом, верхний торец соленоида станет южным полюсом (S).
Теперь к северному полюсу (N) постоянного магнита будет обращен южный полюс (S) соленоида. Разноимённые полюса (N и S) притягиваются. В результате между магнитом и соленоидом возникнет сила притяжения, которая заставит магнит опуститься вниз, растягивая пружину.

Ответ: Магнит притянется к соленоиду и опустится вниз, растягивая пружину.

652. Как взаимодействуют воздушные провода, питаю¹щие двигатель вагона троллейбуса?

Воздушные провода, питающие двигатель троллейбуса, представляют собой два параллельных проводника. По одному проводу (контактному) электрический ток течет от тяговой подстанции к двигателю троллейбуса, а по второму (обратному) проводу — от двигателя обратно к подстанции. Таким образом, токи в этих двух проводах направлены в противоположные стороны.

Согласно закону Ампера, два параллельных проводника с током взаимодействуют друг с другом. Характер этого взаимодействия зависит от направления токов: проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а проводники с токами, текущими в противоположных направлениях, отталкиваются.

Это явление объясняется тем, что каждый проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на второй проводник с силой Ампера. Применение правила левой руки показывает, что при противоположно направленных токах силы, действующие на провода, направлены в стороны друг от друга.

Следовательно, поскольку токи в двух воздушных проводах троллейбусной линии направлены в противоположные стороны, эти провода испытывают силу взаимного отталкивания.

Ответ: Воздушные провода, питающие двигатель троллейбуса, отталкиваются друг от друга, потому что токи в них текут в противоположных направлениях.

653. Как будут взаимодействовать соседние витки соленоида, когда по ним потечёт постоянный ток?

Решение

Когда по соленоиду протекает постоянный ток, он течет в одном и том же направлении во всех витках. Каждый виток, по которому течет ток, создает вокруг себя магнитное поле. Таким образом, каждый виток находится в магнитном поле, созданном всеми остальными витками.

Взаимодействие соседних витков можно рассмотреть, представив их как систему параллельных проводников с током. Поскольку провод в соленоиде намотан в одном направлении, токи в соседних витках текут в одинаковом направлении (например, по часовой стрелке, если смотреть с одного торца).

Согласно закону Ампера, два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются друг к другу. Участки соседних витков, находящиеся близко друг к другу, можно считать практически параллельными. Следовательно, между соседними витками соленоида будут действовать силы притяжения.

В результате этого притяжения соленоид будет стремиться сжаться вдоль своей оси.

Ответ: Соседние витки соленоида будут притягиваться друг к другу.

654. Сформулируйте задачу для каждого случая (рис. 140) и решите её.

Рис. 140

В данной задаче требуется для каждого случая, изображенного на рисунке, сформулировать вопрос и дать на него ответ, используя правило левой руки для определения направления силы Ампера.

а) Задача: Определить направление силы Ампера (`$\vec{F_A}$`), действующей на проводник с током, помещенный между полюсами магнита. Направление тока (`$I$`) указано символом `$\odot$` (на наблюдателя).

Решение: Для определения направления силы Ампера воспользуемся правилом левой руки. Линии магнитной индукции (`$\vec{B}$`) направлены от северного полюса (N) к южному (S), то есть горизонтально вправо. Расположим левую руку так, чтобы вектор магнитной индукции `$\vec{B}$` входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току (`$I$`), то есть на нас. Тогда отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Ампера. Он будет направлен вниз.

Ответ: Сила Ампера направлена вниз.

б) Задача: Определить направление силы Ампера (`$\vec{F_A}$`), действующей на проводник с током. Направление тока (`$I$`) указано символом `$\otimes$` (от наблюдателя).

Решение: Применим правило левой руки. Линии магнитной индукции (`$\vec{B}$`) направлены от северного полюса N (снизу) к южному S (сверху), то есть вертикально вверх. Расположим ладонь левой руки так, чтобы эти линии входили в нее (ладонь обращена вниз). Четыре пальца направим по току (`$I$`), то есть от нас, в плоскость рисунка. Отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера. Он будет направлен вправо.

Ответ: Сила Ампера направлена вправо.

в) Задача: Определить направление силы Ампера (`$\vec{F_A}$`), действующей на проводник, по которому течет ток (`$I$`) вправо.

Решение: Воспользуемся правилом левой руки. Линии магнитной индукции (`$\vec{B}$`) направлены от северного полюса N (сверху) к южному S (снизу), то есть вертикально вниз. Расположим ладонь левой руки так, чтобы вектор `$\vec{B}$` входил в нее (ладонь обращена вверх). Четыре пальца направим по направлению тока (`$I$`), то есть вправо. Тогда отогнутый большой палец будет направлен от нас, вглубь плоскости рисунка.

Ответ: Сила Ампера направлена от наблюдателя (перпендикулярно плоскости рисунка).

г) Задача: Проводник с током, направленным на наблюдателя (`$\odot$`), помещен в магнитное поле. На него действует сила Ампера (`$\vec{F}$`), направленная вниз. Определить расположение северного и южного полюсов магнита.

Решение: Применим правило левой руки. Расположим левую руку так, чтобы отогнутый большой палец указывал направление силы (`$\vec{F}$`), то есть вниз, а четыре вытянутых пальца — направление тока (`$I$`), то есть на нас. В таком положении ладонь будет обращена влево. Линии магнитной индукции (`$\vec{B}$`) должны входить в ладонь, следовательно, они направлены слева направо. Поскольку линии магнитной индукции выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S), то слева находится северный полюс, а справа — южный.

Ответ: Северный полюс (N) находится слева, южный полюс (S) — справа.

д) Задача: На проводник с током (`$I$`), направленным вправо, действует сила Ампера (`$\vec{F}$`), направленная вверх. Определить направление линий магнитной индукции (`$\vec{B}$`).

Решение: Используем правило левой руки. Расположим левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца были направлены по току (`$I$`), то есть вправо, а отогнутый большой палец указывал направление силы (`$\vec{F}$`), то есть вверх. При этом ладонь будет обращена от нас, в плоскость рисунка. Следовательно, линии магнитной индукции (`$\vec{B}$`) входят в ладонь, то есть направлены от нас, перпендикулярно плоскости рисунка.

Ответ: Линии магнитной индукции направлены от наблюдателя (перпендикулярно плоскости рисунка).

е) Задача: Проводник с током, направленным от наблюдателя (`$\otimes$`), помещен в магнитное поле. На него действует сила Ампера (`$\vec{F}$`), направленная влево. Определить направление линий магнитной индукции (`$\vec{B}$`) и расположение полюсов магнита.

Решение: По правилу левой руки расположим кисть так, чтобы четыре пальца были направлены по току (`$I$`), то есть от нас, а отогнутый большой палец указывал направление силы (`$\vec{F}$`), то есть влево. Ладонь при этом будет обращена вниз. Так как линии магнитной индукции (`$\vec{B}$`) входят в ладонь, они направлены вертикально вниз. Линии магнитной индукции выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S). Следовательно, верхний полюс является северным (N), а нижний — южным (S).

Ответ: Линии магнитной индукции направлены вниз. Верхний полюс — северный (N), нижний — южный (S).