Номер 1, страница 184 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Проволочная катушка $K_1$ со стальным сердечником включена в цепь источника постоянного тока последовательно с реостатом $R$ и ключом $K$ (рис. 137). Электрический ток, протекающий по виткам катушки $K_1$, создает в пространстве вокруг неё магнитное поле. В поле катушки $K_1$ находится такая же катушка $K_2$.

Каким образом можно менять магнитный поток, пронизывающий катушку $K_2$? Рассмотрите все возможные варианты.

Рис. 137

Магнитный поток $\Phi$, пронизывающий катушку K₂, определяется по формуле $\Phi = B S \cos \alpha$, где $B$ — индукция магнитного поля, создаваемого катушкой K₁, $S$ — площадь поперечного сечения катушки K₂, $\alpha$ — угол между вектором магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью к плоскости витков катушки K₂. Следовательно, для изменения магнитного потока $\Phi$ необходимо изменять хотя бы одну из этих величин: $B$, $S$ или $\alpha$. Площадь $S$ самой катушки K₂ изменить нельзя, однако можно изменять другие параметры.

Рассмотрим все возможные варианты изменения магнитного потока через катушку K₂.

1. Изменение силы тока в катушке K₁.

Индукция магнитного поля $B$, создаваемого катушкой K₁, прямо пропорциональна силе тока $I_1$, протекающего по её виткам ($B \propto I_1$). Силу тока в цепи можно изменить несколькими способами:

• Замыкание и размыкание ключа K. При замыкании ключа сила тока в катушке K₁ резко возрастает от нуля до некоторого установившегося значения. При размыкании — спадает до нуля. Оба эти процесса вызывают изменение магнитного потока через катушку K₂.
• Изменение сопротивления реостата R. Передвигая ползунок реостата, мы изменяем сопротивление цепи. Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока $I_1 = \frac{\mathcal{E}}{R_{общ}}$, где $\mathcal{E}$ — ЭДС источника, а $R_{общ}$ — общее сопротивление цепи (включая сопротивление реостата). Увеличение сопротивления реостата приводит к уменьшению силы тока, а уменьшение сопротивления — к увеличению. Любое изменение силы тока $I_1$ вызывает пропорциональное изменение индукции поля $B$ и, как следствие, изменение магнитного потока $\Phi$ через катушку K₂.

Ответ: изменять магнитный поток можно, замыкая/размыкая ключ K или изменяя сопротивление реостата R.

2. Изменение взаимного расположения катушек.

Магнитное поле, создаваемое катушкой K₁, неоднородно в пространстве. Его индукция максимальна внутри катушки и убывает с расстоянием от неё.

• Перемещение катушки K₂ относительно K₁. Если перемещать катушку K₂ вдоль общей оси, приближая её к K₁ или удаляя от неё, то она будет попадать в области с разной индукцией магнитного поля $B$. При приближении к K₁ магнитный поток через K₂ будет увеличиваться, при удалении — уменьшаться.

Ответ: изменять магнитный поток можно, перемещая катушку K₂ относительно катушки K₁, например, приближая их или удаляя друг от друга.

3. Изменение ориентации катушки K₂.

Магнитный поток зависит от угла $\alpha$ между направлением поля и плоскостью витков катушки.

• Вращение катушки K₂. Если вращать катушку K₂ в магнитном поле катушки K₁, то будет изменяться угол $\alpha$. Магнитный поток будет максимальным, когда оси катушек параллельны (линии поля перпендикулярны плоскости витков K₂, $\alpha=0$, $\cos 0 = 1$), и будет равен нулю, когда ось катушки K₂ перпендикулярна линиям поля (линии поля параллельны плоскости витков, $\alpha=90^\circ$, $\cos 90^\circ = 0$). Таким образом, вращение катушки K₂ приводит к изменению магнитного потока.

Ответ: изменять магнитный поток можно, поворачивая катушку K₂ относительно катушки K₁.

4. Изменение свойств сердечника в катушке K₁.

В задаче указано, что катушка K₁ имеет стальной сердечник. Сталь является ферромагнетиком и значительно усиливает магнитное поле. Индукция поля $B$ пропорциональна магнитной проницаемости среды $\mu$ ($B \propto \mu$).

• Вдвигание или выдвигание сердечника. Если вынимать стальной сердечник из катушки K₁, её магнитное поле при той же силе тока резко ослабнет, так как магнитная проницаемость воздуха намного меньше, чем у стали. Это приведет к уменьшению магнитного потока через K₂. Если вставлять сердечник обратно, поток будет увеличиваться.

Ответ: изменять магнитный поток можно, вдвигая или выдвигая стальной сердечник из катушки K₁.