Номер 4, страница 205 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. Опишите механизм возникновения индукционного тока, опираясь на знание о существовании электромагнитного поля.

4. Решение

Механизм возникновения индукционного тока неразрывно связан с фундаментальным свойством электромагнитного поля, которое заключается во взаимной связи и порождении электрического и магнитного полей. Согласно теории электромагнитного поля, сформулированной Джеймсом Клерком Максвеллом, любое изменение магнитного поля во времени порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.

Рассмотрим этот процесс подробнее:

1. Изменение магнитного потока. Основой явления электромагнитной индукции является изменение магнитного потока $ \Phi_B $ через поверхность, ограниченную замкнутым проводящим контуром. Магнитный поток может меняться по разным причинам: из-за изменения величины индукции магнитного поля $ B $, из-за изменения площади контура $ S $, или из-за изменения ориентации контура относительно линий магнитной индукции (изменение угла $ \alpha $ между вектором индукции $ \vec{B} $ и нормалью к контуру $ \vec{n} $). Формула для магнитного потока: $ \Phi_B = B \cdot S \cdot \cos{\alpha} $.
2. Возникновение вихревого электрического поля. Главное положение теории Максвелла состоит в том, что переменное во времени магнитное поле ($ \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \neq 0 $) является источником электрического поля. Это электрическое поле принципиально отличается от электростатического поля, создаваемого неподвижными зарядами. Электростатическое поле является потенциальным (консервативным), его силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. В отличие от него, индуцированное электрическое поле является вихревым (непотенциальным). Его силовые линии представляют собой замкнутые кривые, охватывающие область, где меняется магнитное поле. Математически это выражается одним из уравнений Максвелла, которое в интегральной форме является законом Фарадея: $ \oint_L \vec{E} \cdot d\vec{l} = -\frac{d\Phi_B}{dt} $, где $ \oint_L \vec{E} \cdot d\vec{l} $ — циркуляция вектора напряженности электрического поля по замкнутому контуру $ L $.
3. Действие поля на свободные заряды. Если в области, где возникло вихревое электрическое поле, находится проводник (например, замкнутый контур), то это поле начинает действовать на свободные носители заряда в проводнике (например, электроны в металлах). На каждый свободный заряд $ q $ действует электрическая сила $ \vec{F} = q\vec{E} $.
4. Возникновение индукционного тока. Под действием этой силы свободные заряды приходят в упорядоченное движение вдоль проводника. Это направленное движение зарядов и представляет собой индукционный электрический ток. Величина этого тока, согласно закону Ома для полной цепи, определяется индуцированной электродвижущей силой (ЭДС) $ \mathcal{E}_{инд} $ и полным сопротивлением контура $ R $: $ I_{инд} = \frac{\mathcal{E}_{инд}}{R} $. ЭДС индукции, по определению, равна работе, совершаемой вихревым электрическим полем по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура, то есть $ \mathcal{E}_{инд} = \oint_L \vec{E} \cdot d\vec{l} $. Таким образом, мы приходим к закону электромагнитной индукции Фарадея: $ \mathcal{E}_{инд} = -\frac{d\Phi_B}{dt} $.

Таким образом, механизм возникновения индукционного тока заключается в следующей последовательности событий: изменение магнитного поля в пространстве → порождение вихревого электрического поля → действие этого поля на свободные заряды в проводнике → возникновение упорядоченного движения зарядов, то есть индукционного тока.

Ответ: Механизм возникновения индукционного тока, с точки зрения существования единого электромагнитного поля, заключается в том, что любое изменение магнитного потока через замкнутый контур порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Это электрическое поле, в отличие от электростатического, имеет замкнутые силовые линии. Если в этом поле находится проводник, то вихревое электрическое поле действует на свободные носители заряда в нем, вызывая их упорядоченное движение, которое и является индукционным током. Цепочка причинно-следственных связей выглядит так: переменное магнитное поле → вихревое электрическое поле → сила, действующая на заряды → индукционный ток.