Номер 4, страница 175 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Электромагнитные явления. Параграф 39. Самоиндукция. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 175.

Условие.

4. Почему при замыкании цепи сила тока в ней нарастает постепенно?

Решение.

Решение

При замыкании электрической цепи, содержащей индуктивность (например, катушку), сила тока в ней нарастает постепенно, а не мгновенно. Это явление объясняется электромагнитной самоиндукцией.

Рассмотрим процесс подробнее:

1. Возникновение магнитного поля. Когда по проводнику начинает течь электрический ток, вокруг него возникает магнитное поле. Магнитный поток ($ \Phi $), пронизывающий контур (саму цепь), прямо пропорционален силе тока ($ I $) в этом контуре: $ \Phi = L \cdot I $, где $ L $ – это индуктивность контура, его характеристика, зависящая от формы и размеров.

2. Изменение магнитного потока. В момент замыкания цепи сила тока начинает увеличиваться от нуля до своего установившегося значения, определяемого законом Ома ($ I = \mathcal{E} / R $). Это возрастание тока вызывает изменение (увеличение) магнитного потока, пронизывающего контур.

3. Возникновение ЭДС самоиндукции. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, любое изменение магнитного потока через контур приводит к возникновению в этом контуре электродвижущей силы (ЭДС). В данном случае эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции ($ \mathcal{E}_{si} $). Она определяется формулой:

$ \mathcal{E}_{si} = - \frac{d\Phi}{dt} = -L \frac{dI}{dt} $

Здесь $ \frac{dI}{dt} $ – скорость изменения силы тока.

4. Правило Ленца. Знак "минус" в формуле отражает правило Ленца. Оно гласит, что индукционный ток, возникающий в контуре, всегда имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которое его вызвало. В нашем случае, поскольку ток нарастает, ЭДС самоиндукции направлена против основного тока от источника. Она как бы "мешает" току быстро увеличиваться.

Таким образом, в начальный момент времени ЭДС источника питания противодействует максимальная ЭДС самоиндукции, что замедляет рост тока. По мере того как ток приближается к своему стационарному значению, скорость его изменения ($ \frac{dI}{dt} $) уменьшается, следовательно, уменьшается и ЭДС самоиндукции. Когда ток достигает постоянного значения, $ \frac{dI}{dt} = 0 $, ЭДС самоиндукции становится равной нулю, и ток ограничивается только сопротивлением цепи.

Это явление аналогично инерции в механике: индуктивность в электрической цепи играет роль, подобную массе. Как тело с большой массой не может мгновенно изменить свою скорость, так и ток в цепи с большой индуктивностью не может мгновенно измениться.

Ответ: Сила тока при замыкании цепи нарастает постепенно из-за явления электромагнитной самоиндукции. Возрастающий ток создает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует в цепи ЭДС самоиндукции, направленную, согласно правилу Ленца, против основного тока и препятствующую его мгновенному нарастанию.