Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Индуктивность. ЭДС самоиндукции

Магнитным потоком (потоком вектора магнитной индукции ) сквозь контур называют физическую величину

,

где S – площадь поперечного сечения контура, φ – угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площадке S.

Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения в контуре ЭДС индукции при всяком изменении магнитного потока Ф сквозь поверхность, охватываемую контуром.

Закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в контуре пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф сквозь поверхность, натянутую на этот контур

.

Правило Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Изменение магнитного потока может достигаться изменением тока в самом контуре (явление самоиндукции). Тогда ЭДС самоиндукции будет равным

,

где L – индуктивность проводника.

Индуктивность соленоида ,

n – число витков на единицу длины соленоида, l – длина соленоида, S – площадь поперечного сечения.

Энергия магнитного поля, созданного проводником с током I и индуктивности L равна:

.

Изменение магнитного потока может достигаться также изменением тока в соседнем контуре (явление взаимной индукции). При этом

,

где – взаимная индуктивность контуров.

430. Проводник длины l = 50 см с током силы I = 15 А находится в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,2 Тл. Вектор магнитной индукции составляет с проводником угол α = 30°. Определите работу А, которая была совершена внешней силой при перемещении проводника на расстояние d = 60 см в направлении, перпендикулярном магнитному полю.

431. Виток изолированного провода перегибают, придавая ему вид «восьмерки», и помещают в однородное магнитное поле, так, что плоскость «восьмерки» перпендикулярна направлению поля. Длина провода l = 90 см. Петли «восьмерки» можно считать окружностями с отношением радиусов R₁/R₂ = 1:2. Какой ток пройдет по проводу, если поле будет убывать с постоянной скоростью 5 Тл/с? Сопротивление витка R = 0,05 Ом.

432. В однородном магнитном поле с индукцией B = 2 Тл расположен проволочный виток так, что плоскость перпендикулярна магнитному полю. Площадь, охватываемая контуром витка, равна S = 50 см². Виток замкнут на гальванометр. При повороте витка на угол φ = 90^o через гальванометр проходит заряд, равный q = 4·10^-3 Кл. Найти сопротивление витка.

433. Скорость летящего горизонтально самолета υ = 1100 км/ч. Определите разность потенциалов Δφ, возникающую между концами крыльев этого самолета, если вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли равна В = 0,5·10^-4 Тл, а размах крыльев самолета l = 15 м.

434. В однородном магнитном поле с индукцией B = 0,05 Тл равномерно вращается вокруг вертикальной оси горизонтальный стержень длиной l = 0,75 м. Ось вращения проходит через конец стержня параллельно линиям магнитной индукции. Определите число оборотов в секунду, при котором на концах стержня возникает разность потенциалов Δφ = 0,2 В.

435. Какой вращающий момент испытывает рамка с током I = 10 А при помещении ее в однородное магнитное поле с магнитной индукцией B = 0,5 Тл, если рамка содержит N = 50 витков площадью S = 20 см², а ее нормаль образует с вектором индукции магнитного поля угол α = 30^o?

436. Квадратная рамка с током I₁ = 1 А расположена в одной плоскости с длинным прямым проводником, по которому течет ток I₂ = 7 А. Сторона рамки a = 10 см. Проходящая через середины противоположных сторон ось рамки параллельна проводу и отстоит от него на расстоянии, которое в два раза больше стороны рамки. Найти механическую работу, которую нужно совершить для поворота рамки вокруг оси на 180^o, если токи поддерживают неизменными.

437. Катушка длиной l = 70 см и диаметром d = 2 см содержит N = 600 витков. По катушке течет ток I = 5 A. Определите: индуктивность катушки, магнитный поток, пронизывающий площадь ее поперечного сечения.

438. За время t = 2 мс в соленоиде, содержащем N = 500 витков, магнитный поток изменился с Ф₁ = 15 мВб, до Ф₂ = 5 мВб. Определить ЭДС индукции ε_i в соленоиде.

439. В однородном магнитном поле с индукцией В = 0,5 Тл находится виток площади S = 100 см², расположенный перпендикулярно линиям индукции. Сопротивление витка R = 1 Ом. Какой заряд q пройдет по витку при выключении поля?

440. Энергия магнитного поля в катушке уменьшилась за счет изменения тока в ней в n = 2 раза в течение времени t = 0,1 с. Индуктивность катушки L = 0,24 Гн, первоначальный ток в катушке I₀ = 10 А. Определите ЭДС самоиндукции ε_s в катушке, считая, что сила тока зависит от времени линейно.

441. В однородном магнитном поле с индукцией B = 0,3 Тл равномерно с частотой ν = 360 мин^-1 вращается рамка, содержащая N = 1000 витков, плотно прилегающих друг к другу. Площадь рамки S = 50 см², ось вращения лежит в плоскости рамки и перпендикулярна линиям магнитной индукции. Определить максимальную ЭДС, индуцируемую в рамке.

442. При изменении тока от I₁ = 5 А до I₂ = 10 А в соленоиде, содержащем N = 500 витков, его магнитный поток увеличился на ΔФ = 4·10^-3 Вб. Чему равна средняя ЭДС самоиндукции ε_s, возникающая в соленоиде, если изменение тока произошло за время t = 0,05 с.

443. Рамка площадью S = 100 см², из проволоки сопротивлением R = 1 Ом вращается с угловой скоростью ω = 10π рад/с в однородном магнитном поле с магнитной индукцией B = 0,1 Тл. Ось вращения рамки лежит в ее плоскости и перпендикулярна к вектору магнитной индукции. Определить количество теплоты, которое выделяется в рамке за N = 10³ оборотов. Самоиндукцией пренебречь.

444. Определите период Т колебаний контура, в состав которого входят катушка (без сердечника) длины l = 100 см и площади сечения σ = 2 см², имеющая N = 1000 витков, и воздушный конденсатор, состоящий из двух пластин площади S = 50 см² каждая. Расстояние между пластинами конденсатора равно d = 5 мм. Активное сопротивление контура пренебрежимо мало.

445. Четыре одинаково заряженных конденсатора емкостью С = 25 мкФ каждый соединяют в батарею и подключают к катушке, активное сопротивление которой R =10 Ом и индуктивность L = 0,05 Гн. Во сколько раз будут отличаться периоды затухающих колебаний, если конденсаторы один раз соединены параллельно, а второй — последовательно?

446. Ток в колебательном контуре зависит от времени по закону I(t) = I₀sinω₀t, где I₀ = 16 мА, ω₀ = 4·10⁴ c^-1. Емкость конденсатора С = 2 мкФ. Определите индуктивность L контура и напряжение U на конденсаторе в момент времени t = 0. Активное сопротивление контура пренебрежимо мало.

447. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L = 1,6 мГн и конденсатора емкости С = 0,04 мкФ. Максимальное напряжение на обкладках конденсатора U_max = 200 В. Определите максимальную силу тока I_max в контуре. Активное сопротивление контура пренебрежимо мало.

448. Последовательно соединенные резистор с сопротивлением R = 110 Ом и конденсатор подключены к внешнему переменному напряжению с амплитудным значением U_m = 110 В. Оказалось, что амплитудное значение установившегося тока в цепи I_m = 0,5 А. Определите разность фаз между током и внешним напряжением.

449. Уравнение изменения величины тока в колебательном контуре со временем дается в виде I = 0,5sin100πt А. Индуктивность контура L = 0,5 Гн. Найти период колебаний, емкость контура, максимальную разность потенциалов на обкладках конденсатора, максимальную энергию электрического поля.

450. Конденсатор емкостью С = 4,6 нФ соединен с катушкой индуктивности L = 25 мкГн с сопротивлением R = 5 Ом. Определите резонансную частоту контура.

451. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L = 0,4 Гн и конденсатора емкостью С = 0,5 мкФ. Конденсатор зарядили до напряжения U₀ = 4 В. Какими будут ток, напряжение и заряд в моменты времени, когда отношения энергии электрического и магнитного поля равны 0, ½?

452. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С = 3 мкФ и катушки индуктивностью L = 0,2 Гн и сопротивлением R = 12 Ом. Определить логарифмический декремент затухания колебаний.

453. Определить активное сопротивление колебательного контура, индуктивность которого L = 1 Гн, если через t = 0,1 с амплитудное значение разности потенциалов на обкладках конденсатора уменьшилось в 4 раза.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1990-2002.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1977-1989, т. 2.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1977-1990, т. 3.

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2001-2002.

5. Наркевич И.И., Волмянский Э.И., Лобко С.И. Физика для втузов. Т. 1. – Мн.: Вышэйшая школа, 1992-1994.

6. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. - М.: Наука, 1972-1974, т. 1-3; - Киев: Днiпро, 1994, т. 2.

7. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1973-1990; СПб: Спец. лит., Лань, 1999.

8. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Высшая школа, 1981, 1988.

9. Савельев И.В. Сборник вопросов и задач по общей физике. – М.: Наука, 1982, 1988, 2001.