Номер 1, страница 194 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

В электрической цепи (рис. 149) напряжение, получаемое от источника тока, меньше напряжения зажигания неоновой лампы.

Может ли наблюдаться вспышка неоновой лампы при замыкании ключа; при размыкании ключа?

Что будет происходить с каждым элементом цепи (исключая источник тока и ключ) при замкнутом ключе; при замыкании ключа; при размыкании ключа?

Рис. 149

Может ли наблюдаться вспышка неоновой лампы при замыкании ключа; при размыкании ключа?

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать явление самоиндукции в катушке в моменты коммутации цепи.

При замыкании ключа:

Когда ключ замыкается, ток в цепи начинает нарастать. Катушка индуктивности $L$ препятствует этому нарастанию, создавая ЭДС самоиндукции $E_L = -L \frac{dI}{dt}$, которая направлена против тока источника. Это означает, что напряжение на параллельном участке цепи (где находятся катушка и неоновая лампа) нарастает плавно от нуля до установившегося значения, равного напряжению источника $U_{ист}$. Поскольку по условию задачи напряжение источника меньше напряжения зажигания неоновой лампы ($U_{ист} < U_{заж}$), напряжение на лампе в процессе замыкания никогда не достигнет величины, необходимой для ее вспышки.

При размыкании ключа:

До размыкания через катушку индуктивности протекал установившийся ток $I_0$. В момент размыкания ключа внешняя цепь с источником тока отключается. Катушка индуктивности и неоновая лампа теперь образуют новый замкнутый контур. Энергия магнитного поля, запасенная в катушке, не может исчезнуть мгновенно. Катушка "стремится" поддержать ток, и для этого в ней возникает ЭДС самоиндукции. Так как ток в новом контуре очень быстро падает до нуля (сопротивление контура велико), производная тока $\frac{dI}{dt}$ имеет очень большое значение. Это приводит к возникновению кратковременного импульса ЭДС самоиндукции $|E_L|$, который может значительно превышать напряжение источника. Если это индуцированное напряжение окажется больше напряжения зажигания неоновой лампы ($|E_L| > U_{заж}$), то лампа кратковременно вспыхнет. Энергия для этой вспышки черпается из энергии магнитного поля, запасенного в катушке.

Ответ: При замыкании ключа вспышка неоновой лампы наблюдаться не будет. При размыкании ключа будет наблюдаться кратковременная вспышка неоновой лампы.

Что будет происходить с каждым элементом цепи (исключая источник тока и ключ) при замкнутом ключе; при замыкании ключа; при размыкании ключа?

при замкнутом ключе

В этом случае рассматривается установившийся режим, когда все переходные процессы завершились.

- Лампа накаливания (обозначена крестиком) находится под действием постоянного тока от источника и горит ровным светом.

- Катушка индуктивности для постоянного тока ведет себя как проводник с малым активным сопротивлением. Через нее протекает постоянный ток, и она обладает запасом энергии в своем магнитном поле.

- Неоновая лампа не горит, так как напряжение на ней равно напряжению источника, которое по условию меньше напряжения ее зажигания. Ток через нее не протекает.

Ответ: Лампа накаливания горит, катушка индуктивности пропускает постоянный ток, неоновая лампа не горит.

при замыкании ключа

Здесь рассматривается переходный процесс установления тока в цепи.

- Лампа накаливания разгорается плавно, а не мгновенно. Это происходит потому, что общий ток в цепи, определяемый катушкой индуктивности, нарастает постепенно.

- Катушка индуктивности противодействует нарастанию тока, создавая ЭДС самоиндукции. Ток через нее увеличивается от нуля до установившегося значения не мгновенно, а по экспоненциальному закону.

- Неоновая лампа не загорается, так как напряжение на ней плавно растет от нуля до напряжения источника, не превышая его.

Ответ: Лампа накаливания плавно разгорается, в катушке возникает ЭДС самоиндукции, замедляющая рост тока, неоновая лампа не горит.

при размыкании ключа

Это второй переходный процесс, связанный с прекращением тока от источника.

- Лампа накаливания мгновенно гаснет, так как она находится в разрываемой части цепи.

- Катушка индуктивности индуцирует большую ЭДС, чтобы противодействовать резкому исчезновению тока. Эта ЭДС прикладывается к контуру, состоящему из самой катушки и неоновой лампы.

- Неоновая лампа ярко, но кратковременно вспыхивает. Напряжение, созданное катушкой, превышает напряжение зажигания лампы, и через нее проходит импульс тока.

Ответ: Лампа накаливания гаснет, в катушке индуцируется большая ЭДС, неоновая лампа вспыхивает.