Физическая викторина. Электричество и магнетизм. Переменный электрический ток
1. Из универсального трансформатора собрать электромагнит, для чего обмотки катушек на 120 и 220 В соединить параллельно и включить в цепь переменного тока напряжением 120 В.
Снабдить электромагнит полюсными наконечниками. В пространство между полюсами магнита вносить по очереди покрытые воском и разрезанные на части диски (рис.) (детали дисков сделаны из металлической пластинки и наклеены клеем БФ-2 на кружки плотной бумаги). Быстрое плавление воска наблюдается только на диске, состоящем из концентрических колец. Объяснить явление.
2. Нагревание ферромагнетика при циклическом перемагничивании.
Внутрь катушки от универсального трансформатора, рассчитанной на напряжение 220 В, ввести одинаковые по форме медный и железный стержни длиной 15—20 см и диаметром 15—20 мм. С помощью воска на стержнях на одинаковой высоте укрепить 2—3 спички (рис.).
Включив через реостат переменный ток безопасной для катушки величины, можно заметить, как через некоторое время спички на железном стержне отпадут, а на медном останутся в покое. Объяснить явление.
3. В сеть переменного напряжения величиной 220 В включить первичную обмотку школьного трансформатора, рассчитанную на это напряжение. Последовательно с этой обмоткой соединить электролампу на 100 Вт. Во вторичную обмотку (на 12 В) включить параллельно несколько ламп на 12 В (рис.). Пока вторичная обмотка разомкнута, большая лампа не горит. По мере включения малых ламп во вторичную обмотку накал нити большой лампы увеличивается. Объяснить явление.
4. Две одинаковые катушки на 220 В от школьного трансформатора надеть на сердечник и включить последовательно с лампой мощностью 200 Вт в сеть переменного тока. Лампа гореть не будет. Отключив ток, поменять местами концы проводов, присоединенных к клеммам одной из катушек. Включить ток; лампа загорится. Объяснить явление.
5. Лампу на 200 Вт включить в цепь переменного тока последовательно с катушкой на 220 В из набора к школьному трансформатору, которую надеть на разомкнутый железный сердечник (рис.). Замкнуть сердечник. Лампа погаснет. Объяснить явление.
6. Однофазный электродвигатель.
На железный сердечник от школьного трансформатора надеть две катушки — на 220 и 12 В. Над катушками подвесить на нити алюминиевый диск (рис.). Катушку на 220 В включить в сеть переменного тока. Если обмотку другой катушки замкнуть ключом накоротко, то диск начинает быстро вращаться. Объяснить явление.
Ответы
1. Индукционное электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля между полюсами магнита, носит вихревой характер, т. е. его силовые линии представляют собой замкнутые, концентрически расположенные кривые. Поэтому наиболее сильный ток возникает в диске, разрезанном на концентрические кольца.
2. Учащиеся обычно неправильно пытаются объяснить опыт токами Фуко. Медный стержень токами Фуко должен нагреваться сильнее, чем железный, так как при одинаковых размерах стержней в них индуцируются поля с одинаковыми ЭДС, но сопротивление меди примерно в семь раз меньше железа. Поэтому сила тока и, следовательно, количество выделяемого тепла должны быть больше в медном стержне, чем в железном.
Главная же причина нагревания ферромагнитного стержня — его перемагничивание, связанное с поворотами элементарных магнитных диполей и в связи с этим с усилением теплового движения.
Работа, затрачиваемая на повороты диполей, совершается силами, действующими на них со стороны магнитного поля за счет его энергии.
3. При разомкнутой вторичной обмотке индуктивность первичной обмотки велика, а ток очень мал, поэтому лампа на 100 Вт не горит.
Включение ламп на 12 В вызывает во вторичной обмотке индукционный ток, магнитное поле которого по закону Ленца уменьшает магнитный поток в сердечнике трансформатора. Это, в свою очередь, уменьшает индуктивность первичной обмотки, поэтому сила текущего через нее тока увеличивается и электролампа на 100 Вт загорается.
4. В первом случае магнитные поля обеих катушек складываются (рис. а), во втором — вычитаются (рис. б). Поэтому в первом случае индуктивное сопротивление катушек велико, во втором — мало.
Примечание. На рисунке направления тока и магнитных полей показаны в один из полу периодов; сердечник трансформатора на рисунке не показан.
5. Замыкание сердечника значительно увеличивает индуктивное сопротивление катушки, поэтому лампа гаснет.
6. Переменные электрические токи в катушках сдвинуты по фазе на 180°, следовательно, достигают максимума в разное время. Поэтому в окружающем пространстве возникает бегущее магнитное поле, подобное магнитному полю перемещающегося постоянного магнита.
Бегущее магнитное поле возбуждает в диске вихревые индукционные токи. Взаимодействие магнитного поля этих токов и бегущего магнитного поля приводит диск во вращение.