Физическая викторина. Электричество и магнетизм. Электромагнитная индукция
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Парадокс высоковольтного генератора. Подключить к телефонному индуктору лампу накаливания на 127 В мощностью 15 Вт (рис.). Лампа светится. Повторить опыт с лампочкой от карманного фонаря; лампочка не загорается. Показать, что от батарейки с напряжением на 3,5 В она горит полным накалом. Объяснить явление.
2. Подскакивающее кольцо. В небольшой картонной коробке поместить катушку Томсона так, чтобы был виден только выходящий наружу ее железный сердечник (рис.). Около сердечника на крышке коробки укрепить две изолированные друг от друга медные пластинки. Пластинку а соединить проволокой с одной из клемм обмотки катушки. Другую клемму и пластинку b соединить с источником переменного напряжения на 220 или 127 В. Если на сердечник надеть медное кольцо, то оно будет периодически подскакивать. Объяснить опыт.
3. Возникает ли индукционный ток в прямоугольном и в форме трапеции контурах (рис.) при их поступательном перемещении в однородном магнитном поле?
4. Вращающийся в постоянном магнитном поле латунный диск (рис.), связан посредством скользящих контактов А и О с неподвижным проводником АВСО. Будет ли индуцирован ток в этом проводнике? Если да, то как он направлен?
5*. Мимо полюса полосового магнита с постоянной скоростью движется медное кольцо, плоскость которого перпендикулярна к оси магнита. Будет ли в этом кольце индуцироваться электрический ток?
6. Подковообразный магнит укрепить на центробежной машине и между его полюсами свободно подвесить медное кольцо (рис.). При вращении магнита кольцо начинает вращаться в ту же сторону. Опыт повторить с точно таким же, но разрезанным кольцом, которое не будет вращаться. Объяснить явление.
7. Составить электрическую цепь из последовательно соединенных: источника тока, подковообразного электромагнита, реостата со скользящим контактом, лампы карманного фонаря и выключателя.
Установить реостатом такую силу тока, чтобы лампа горела в полнакала. Если последовательно замыкать и размыкать железный якорь электромагнита, то накал лампы в первом случае уменьшается, а во втором — увеличивается. Объяснить явление.
8. На сердечнике школьного трансформатора оставить одну катушку на 220 В и включить ее в цепь батареи аккумуляторов на 6 В. Параллельно катушке включить неоновую лампу на 220 В (рис.). При размыкании ключа неоновая лампа на мгновение вспыхивает. Объяснить явление.
9. Собрать цепь по схеме, изображенной на рисунке (А — катушка от школьного трансформатора на 220 В, надетая на сердечник, В — батарея элементов на 6 В, М — лампа карманного фонаря, N — неоновая лампа). При замыкании цепи ключом звонит звонок и горит неоновая лампа; лампа накаливания не горит. Если отключить звонок, то лампа накаливания горит, а неоновая не горит. Объяснить явление.
10. Противоэлектродвижущая сила электродвигателя. В цепь небольшого электродвигателя последовательно с ним включить электрическую лампу мощностью примерно равной мощности электродвигателя. В момент включения двигателя в цепь лампа загорается, а затем быстро гаснет. Объяснить явление.
11. Над катушкой Томсона подвесить на трех тонких резинках другую катушку примерно из 500 витков, замкнутую накоротко. Соединить катушку Томсона с источником переменного тока соответствующего напряжения. Подвешенная катушка оттолкнется. Замкнуть ее концы на конденсатор емкостью 10—20 мкФ. Повторить опыт — она притянется. Объяснить явление.
12. Из квадратных (20 X 20 мм) тонких листочков красной меди изготовить кубик. Для этого между медными листочками проложить такие же бумажные, пропитанные шеллаковым лаком, полученную стопку сильно сжать тисками и просушить в теплом месте. Кубик снабдить двумя ушками так, чтобы при подвешивании за одно ушко А листочки располагались в вертикальной плоскости, а за другое В — в горизонтальной (рис. а). Подвесить кубик на нитке за ушко А между полюсами электромагнита, закрутить нитку и отпустить. Повторить опыт, подвесив кубик за ушко В. В первом случае наблюдается тормозящее действие, а во втором нить свободно раскручивается. Объяснить явление.
Ответы
1. Напряжение в замкнутой цепи распределяется пропорционально сопротивлению его отдельных участков. В первом опыте сопротивление лампы больше сопротивления индуктора, и потому напряжение па ней было достаточно для ее свечения. Во втором случае сопротивление лампочки от карманного фонаря во много раз меньше сопротивления индуктора, поэтому напряжение на ней оказывается меньшим, чем необходимо для ее свечения.
2. Кольцо, ложась на пластинки а и b, замыкает цепь обмотки катушки. Магнитное поле индукционного тока, возникающего в кольце, отталкивает его от катушки. При подскакивании кольца цепь размыкается. Силы отталкивания исчезают, и кольцо падает.
3. При поступательном движении любого контура в однородном магнитном поле число силовых линий, пронизывающих контур, не изменяется, поэтому индукционный ток в нем не возникает.
4. Подвижный участок диска АО пересекает силовые линии магнитного поля. Поэтому в нем наводится ЭДС и в контуре АВСО возникает индукционный ток. При равномерном вращении диска этот ток будет постоянным, без пульсаций. Получить сильный ток таким способом невозможно, поэтому в технике он не используется. По правилу правой руки определяем, что ток идет в диске от О к А.
5. Магнитное поле постоянного магнита неоднородно. Поэтому число силовых линий магнитного поля, пронизывающих контур кольца, при его движении с постоянной скоростью мимо полюса будет изменяться, вследствие этого возникает индукционный ток.
6. При вращении магнита поток силовых линий магнитного поля, пронизывающих кольцо, изменяется, поэтому в кольце возникает индукционный ток. Магнитное поле этого тока и магнита взаимодействуют между собой по правилу Ленца, вследствие чего кольцо увлекается магнитом.
В разрезанном кольце при вращении магнита тока не возникает.
7. Замыкание и размыкание железного якоря увеличивает в первом и уменьшает во втором случае поток магнитной индукции, пронизывающий сердечник магнита. Вследствие этого в его обмотке возникает ток самоиндукции, направленный (по правилу Ленца) в первом случае против основного тока, а во втором — по направлению основного тока.
8. Ответ. При размыкании ключа в катушке возникает ток самоиндукции, напряжение которого настолько велико, что он зажигает неоновую лампу.
9. При замыкании прерывателя звонка в катушке возникает ЭДС самоиндукции, направленная против ЭДС источника тока, затем прерыватель размыкает цепь и нить лампы не успевает накалиться.
Ток самоиндукции поступает в неоновую лампу в течение обоих полупериодов (и имеет более высокое напряжение, чем напряжение источника тока), поэтому она горит. Если отключить звонок, то в цепи будет циркулировать постоянный ток, напряжение которого достаточно, чтобы горела лампа накаливания, но недостаточно, чтобы горела неоновая лампа.
10. Вращение якоря электродвигателя вызывает в якоре ток самоиндукции, направленный против тока, питающего двигатель. Поэтому лампа горит только в начальный момент, когда якорь еще только начал вращаться и ток самоиндукции мал.
11. В первом случае в подвешенной катушке возникает ток противоположного, а во втором случае того же направления, что и в катушке Томсона.
12. При вращении кубика медные пластинки пересекают силовые линии магнитного поля, благодаря чему в них возникают вихревые токи Фуко, тормозящие это вращение. В первом случае при каждом обороте кубика изменение магнитного потока, пронизывающею перпендикулярное этому потоку сечение листочка (рис. б), составляет гораздо большую величину, чем во втором. Поэтому и вихревые токи, а, следовательно, и тормозящие силы гораздо больше в первом случае, чем во втором.
