Site Loader

Содержание

ЕГЭ по физике

 

Каждый вариант экзаменационной работы по физике в 2017 г. состоял из двух частей и включал в себя 31 задание. Часть 1 содержала 23 задания с кратким ответом, в том числе задания с самостоятельной записью ответа в виде числа или слова, а также задания на установление соответствия и множественный выбор, в которых ответы необходимо записать в виде последовательности цифр.Часть 2 содержала 8 заданий, объединенных общим видом деятельности – решение задач: 3 задания с кратким ответом и 5 заданий с развернутым ответом.

В экзаменационной работе по физике контролировались элементы содержания из всех разделов (тем) школьного курса физики.

  Механика (кинематика, динамика, статика, законы сохранения в механике, механические колебания и волны).
  Молекулярная физика (молекулярно-кинетическая теория, термодинамика).
  Электродинамика и основы СТО (электрическое поле, постоянный ток, магнитное поле, электромагнитная индукция, электромагнитные колебания и волны, оптика, основы СТО).

  Квантовая физика (корпускулярно-волновой дуализм, физика атома, физика атомного ядра).

Каждый вариант экзаменационной работы проверял элементы содержания из всех разделов школьного курса физики, при этом для каждого раздела предлагались задания разных уровней сложности. Наиболее важные с точки зрения продолжения образования в высших учебных заведениях содержательные элементы контролировались в одном и том же варианте заданиями разных уровней сложности. Задания базового уровня включены в часть 1 работы. Это 18 заданий, из которых 13 заданий с записью ответа в виде числа, слова или двух чисел и 5 заданий на установление соответствия и множественный выбор. Задания повышенного уровня были распределены между 1 и 2 частями экзаменационной работы: 5 заданий с кратким ответом в части 1, 3 задания с кратким ответом и 1 задание с развернутым ответом в части 2. Последние четыре задачи части 2 являлись заданиями высокого уровня сложности.

Выполнение заданий базового уровня сложности позволяет оценить уровень освоения наиболее значимых содержательных элементов курса физики средней школы и овладение наиболее важными видами деятельности. Среди заданий базового уровня выделяются задания, содержание которых соответствует стандарту базового уровня. Минимальное количество баллов ЕГЭ по физике, подтверждающее освоение выпускником программы среднего общего образования по физике, устанавливается исходя из требований освоения стандарта базового уровня. Использование в экзаменационной работе заданий повышенного и высокого уровней сложности позволяет оценить степень подготовленности выпускника к продолжению образования в вузе.

Приоритетом при конструировании КИМ является необходимость проверки предусмотренных стандартом видов деятельности: усвоение понятийного аппарата курса физики, овладение методологическими умениями, применение знаний при объяснении физических процессов и решении задач. Наиболее важным видом деятельности с точки зрения успешного продолжения образования в вузе является решение задач. Каждый вариант включал в себя задачи по всем разделам разных уровней сложности, позволяющие проверить умение применять физические законы и формулы как в типовых учебных ситуациях, так и в нетрадиционных ситуациях, требующих проявления достаточно высокой степени самостоятельности при комбинировании известных алгоритмов действий или создании собственного плана выполнения задания.

На выполнение всей экзаменационной работы отводилось 235 минут. Максимальный первичный балл за работу – 50. Общее время выполнения работы – 235 мин. 


Подготовка к ЕГЭ и ГИА по физике (вариант 1, задания 13-32)

Пробник 2021
Вариант – 1
На декабрь 2020
Решите задания 13-32 и подготовьте
вопросы при затруднении в решении.
1
• Лодка плывет под парусом по ветру со скоростью 9 км/ч
относительно воды. Ветер дует со скоростью 15 км/ч
относительно воды. Чему равна скорость ветра
относительно лодки?
6
• Ответ: _______________
км/ч.
2
• С каким максимальным ускорением можно
поднимать с помощью веревки тело массой 200
кг, если веревка выдерживает неподвижный
груз максимальной массой 240 кг?
2
• Ответ: _______________
м/с2.
3
• На равномерно движущееся тело массой 2 кг начала
действовать постоянная тормозящая сила. Величина
импульса этой силы к моменту остановки тела составила
4 Н·с. Какой была скорость тела в момент начала
торможения?
• Ответ: _______________
м/с
2
4
• Какова длина λ звуковых волн в среде, если
скорость звука в этой среде V=1500 м/с, а
период звуковых колебаний Т=2·10-2 с?
30
• Ответ: _______________
м
5
• Пуля движется горизонтально и пробивает доску. При
этом скорость её движения уменьшается в 2,5 раза.
Выберите два верных утверждения.
• 1) выполняется закон сохранения механической энергии
• 2) скорость пули уменьшается за счет работы силы тяжести
• 3) скорость пули уменьшается за счет работы силы трения
• 4) полная механическая энергия пули уменьшается
• 5) полная механическая энергия пули увеличивается
6
• Груз, привязанный к нити, отклонили от положения равновесия и в
момент t = 0 отпустили из состояния покоя (см. рисунок). Как при
движении груза к положению равновесия в момент времени t
изменяются его потенциальная энергия в поле тяжести и модуль
тангенциального ускорения? Сопротивлением движению пренебречь. Для
каждой величины определите соответствующий характер изменения:
• 1) увеличивается 2) уменьшается 3) не изменится
• Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.
• Цифры в ответе могут повторяться.
Потенциальная энергия
2
Тангенциальное ускорение
2
7
• Мальчик находится в лифте. Лифт начинает движение вверх с
ускорением. Установите соответствие между физическими
величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К
каждой позиции первого столбца подберите соответствующую
позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные
цифры под соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
ФОРМУЛЫ
А) Вес мальчика
Б) Сила реакции опоры,
приложенная к мальчику
1) mg + ma
2) mg – ma
3) ma
4) mg
А
Б
1
1
8
• В сосуде находится смесь двух газов: 4·1023
молекул кислорода и 4·1023 молекул
водорода. Каково отношение количества
вещества кислорода к количеству вещества
водорода?
1
9
• Тепловая машина с КПД 50% за цикл работы
отдает холодильнику 50 Дж энергии. Какое
количество теплоты машина получает за цикл
от нагревателя?
100
• Ответ: _______________
Дж
10
• В сосуде под поршнем находится влажный воздух с
относительной влажностью 60%. Какой будет
относительная влажность воздуха в сосуде, если его
объём изотермически увеличить в 2 раза?
30
• Ответ: __________________
%
11
• Температуру холодильника идеальной тепловой
машины увеличили, оставив температуру нагревателя
прежней. Количество теплоты, полученное газом от
нагревателя за цикл, не изменилось. Выберите из
предложенного перечня два верных утверждения,
которые соответствуют описанной ситуации:
• 1) КПД тепловой машины увеличился.
• 2) КПД тепловой машины уменьшился.
• 3) Работа газа за цикл не изменилась.
• 4) Работа газа за цикл уменьшилась.
• 5) Работа газа за цикл увеличилась.
12
• Объём сосуда с идеальным газом увеличили втрое и
увеличили температуру в 2 раза. Давление при этом
осталось неизменным. Как изменились концентрация и
среднеквадратичная скорость молекул газа? Для каждой
величины определите соответствующий характер
изменения:
• 1) увеличилась 2) уменьшилась 3) не изменилась
• Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой
физической величины. Цифры в ответе могут повторяться
Концентрация молекул
2
Среднеквадратичная скорость молекул
1
13
• На рисунке изображен длинный
цилиндрический проводник, по
которому протекает
электрический ток. Направление
тока указано стрелкой. Как
направлен вектор магнитной
индукции поля этого тока в
точке С (вправо, влево, от
наблюдателя, к наблюдателю,
вниз, вверх)? Ответ запишите
словом(-ами)
от наблюдателя
14
• Расстояние между двумя точечными
электрическими зарядами уменьшили в 3 раза,
каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во
сколько раз увеличился модуль сил
электростатического взаимодействия между
ними?
81
• Ответ: в _______________
раз(-а).
15
• Электрон и протон влетают в однородное магнитное
поле перпендикулярно вектору магнитной индукции
со скоростями V и 2V соответственно. Отношение
модуля силы, действующей со стороны магнитного
поля на электрон, к модулю силы, действующей на
протон, равно
0,5
• Ответ: _______________
16
• На железный сердечник надеты две катушки, как показано на рисунке. По
правой катушке пропускают ток, который меняется согласно приведённому
графику. На основании этого графика выберите два верных утверждения о
процессах, происходящих в катушках и сердечнике.
• 1) В промежутке 0–1 с сила тока в левой катушке равномерно увеличивается.
• 2) Модуль силы тока в левой катушке в промежутке 1–2 с больше, чем в
промежутке 4–6 с.
• 3) В промежутках 0–1 с и 6–8 с направления тока в правой катушке
различны.
• 4) В промежутке времени 2–3 с сила тока в левой катушке отлична от нуля.
• 5) В промежутке 6–8 с модуль индукции магнитного поля правой катушки
равномерно уменьшается.
17
• Источник тока с ЭДС и внутренним сопротивлением r сначала был
замкнут на внешнее сопротивление R. Затем внешнее
сопротивление увеличили. Как при этом изменятся сила тока в
цепи и напряжение на внешнем сопротивлении?
• Для каждой величины определите соответствующий характер
изменения:
• 1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
• Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической
величины. Цифры в ответе могут повторяться
Сила тока в цепи
2
Напряжение на внешнем
сопротивлении
1
18
• Колебательный контур состоит из конденсатора ёмкостью C и катушки
индуктивностью L. При электромагнитных колебаниях, происходящих в
этом контуре, максимальный заряд пластины конденсатора равен q.
Установите соответствие между физическими величинами и формулами для их
вычисления. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую
позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под
соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
А) максимальная энергия
электрического поля конденсатора
Б) максимальная сила тока,
протекающего через катушку
ФОРМУЛЫ
13
19
• Изотоп 23690Th, испытав серию α- и
электронных β-распадов, превратилcя в изотоп
220 Po, Определите число α-распадов и
84
электронных β-распадов.
Число α-распадов
4
Число электронных βраспадов
2
20
• Период полураспада изотопа натрия 2211Na
равен 2,6 года. Если изначально было 104 мг
этого изотопа, то сколько примерно его
останется через 5,2 года?
26
• Ответ: _______________
мг.
21
• На рисунке представлена диаграмма энергетических
уровней, атома. Установите соответствие между
процессами и возможными переходами. К каждой
позиции первого столбца подберите соответствующую
позицию из второго столбца и запишите в таблицу
выбранные цифры под соответствующими буквами.
ПРОЦЕСС
ПЕРЕХОД
А) поглощение атомами
света
наименьшей частоты
Б) излучение света
наибольшей
частоты
1) переход 1
2) переход 2
3) переход 3
4) переход 4
23
22
• Определите показания
динамометра
(см. рисунок),
если погрешность
прямого измерения силы
равна половине цены
деления динамометра.
Шкала динамометра проградуирована в Н.
2,2
0,1
• Ответ: (_______________
± _______________)
Н.
2,20,1
23
• Необходимо собрать экспериментальную установку,
с помощью которой можно определить коэффициент
трения скольжения алюминия по дереву. Для этого
школьник взял деревянную рейку.
• Какие два предмета из приведённого ниже перечня
оборудования необходимо дополнительно
использовать для проведения этого эксперимента?
• 1) стальной брусок с крючком
• 2) алюминиевый брусок с крючком
• 3) мензурка
• 4) динамометр
• 5) секундомер
• В ответ запишите номера выбранных предметов
24
• Выберите все утверждения, которые соответствуют характеристикам звёзд.
• 1) Звезда Садр относится к сверхгигантам.
• 2) Звёзды Денеб и Садр относятся к одному созвездию, значит, находятся на
одинаковом расстоянии от Солнца.
• 3) Звезда Альдебаран относится к спектральному классу К.
• 4) Звезда Менкалинан относится к тому же спектральному классу, что и
Солнце.
• 5) Температура на поверхности Альдебарана примерно равна температуре на
поверхности Солнца.
25
• Небольшой оловянный шар, летевший со скоростью 30
м/с, в результате столкновения с массивной стальной
плитой остановился, и его температура повысилась на 2
°С. Пренебрегая потерями энергии на теплопередачу
окружающим телам, вычислите по этим данным
удельную теплоемкость олова.
225
• Ответ: _______________
Дж/(кг · К).
26
• Собирающая линза дает мнимое, увеличенное в
5 раз изображение предмета, находящегося на
расстоянии 20 см от нее. Определите оптическую
силу линзы.
4
• Ответ: _______________
дптр.
27
• В цепи, изображенной на рисунке, сопротивление диода в прямом
направлении пренебрежимо мало, а в обратном многократно
превышает сопротивление резисторов. Все резисторы имеют
одинаковое сопротивление, равное внутреннему сопротивлению
источника тока. Во внешней цепи выделяется мощность P. Как
изменится мощность, выделяющаяся во внешней цепи, при другой
полярности подключения источника тока? Изобразите эквивалентные
схемы для двух случаев подключения источника. Ответ поясните,
опираясь на законы электродинамики.
28
• Груз массой m=2,0 кг, подвешенный на
тонкой нити, целиком погружен в воду
и не касается дна сосуда. Модуль
силы натяжения нити T=13 Н.
Найдите объем груза.
29
• Стартуя из точки А (см. рисунок),
спортсмен движется равноускоренно до
точки B, после которой модуль скорости
спортсмена остается постоянным вплоть
до точки C. Во сколько раз время,
затраченное спортсменом на участок BC,
больше, чем на участок AB, если модуль
ускорения на обоих участках одинаков?
Траектория BC – полуокружность.
30
• Циклический процесс, проводимый над
одноатомным идеальным газом,
представлен на рисунке. На участке 1—2
газ совершает работу А12 = 1000 Дж.
Участок 3—1 – адиабата. Количество
теплоты, отданное газом за цикл
холодильнику, равно |Qхол| = 3370 Дж.
Количество вещества газа в ходе процесса
не меняется. Найдите работу |А31|
внешних сил в адиабатном процессе.
31
• Колебательный контур радиоприемника настроен на длину
волны λ=500 м. Индуктивность катушки контура L=3 мкГн. В
контуре используется плоский воздушный конденсатор,
расстояние между пластинами которого d=1 мм.
Максимальная напряженность электрического поля
конденсатора в ходе колебаний Emax=3 В/м. Каков
максимальный ток в катушке индуктивности?
32
• Металлическую пластину освещают
монохроматическим светом с длиной волны 500 нм.
Определите максимальную скорость фотоэлектронов,
вылетающих с поверхности пластины, если работа
выхода электронов из данного металла составляет 1,4
эВ?

При каком условии в катушке возникает индукционный ток? Электромагнитная индукция.

Опыты Х. Эрстеда и А. Ампера (см. § 1) показали, что электрический ток создает магнитное поле. А можно ли сделать наоборот, то есть с помощью магнитного поля получить электрический ток? После более чем 16 тысяч опытов английский физик и химик Майкл Фарадей 29 августа 1831 г. получил электрический ток с помощью магнитного поля постоянного магнита. Какие же опыты проводил Фарадей и какое значение имело его открытие?

воспроизводим опыты Фарадея

Замкнем катушку на гальванометр и будем вводить в катушку постоянный магнит. Во время движения магнита стрелка гальванометра отклонится, а это означает, что в катушке возник электрический ток (рис. 8.1, а).

Чем быстрее двигать магнит, тем больше будет сила тока; если движение магнита прекратить, прекратится и ток — стрелка вернется на нулевую отметку (рис. 8.1, б). Вынимая магнит из катушки, видим, что стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону (рис. 8.1, в), а после прекращения движения магнита снова возвращается на нулевую отметку.

Если оставить магнит неподвижным, а двигать катушку (или приближать ее к магниту, или удалять от него, или поворачивать вблизи полюса магнита), то снова будем наблюдать отклонение стрелки гальванометра.

Теперь возьмем две катушки — А и В — и наденем их на один сердечник (рис. 8.2). Катушку В через реостат присоединим к источнику тока, а катушку А замкнем на гальванометр. Если передвигать ползунок реостата, то в катушке А будет идти электрический ток. Ток будет возникать как при увеличении, так и при уменьшении силы тока в катушке В. А вот направление

Рис. 8.2. Если разомкнуть или замкнуть цепь катушки B или изменить в ней силу тока, в катушке A возникнет ток

Рис. 8.1. Возникновение тока в катушке фиксируется гальванометром: а — если магнит вводить в катушку, стрелка гальванометра отклоняется вправо; б — если магнит неподвижен, ток не возникает и стрелка не отклоняется; в — если выводить магнит из катушки, стрелка гальванометра отклоняется влево

тока будет разным: при увеличении силы тока стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону, а при уменьшении — в другую. Ток в катушке А будет возникать также в момент замыкания и в момент размыкания цепи катушки В.

Возникнет ли ток в катушке А (см. рис. 8.2), если ее двигать относительно катушки В?

Все рассмотренные опыты — это современный вариант тех, которые на протяжении 10 лет проводил Майкл Фарадей и благодаря которым он пришел к выводу: в замкнутом проводящем контуре возникает

электрический ток, если количество линий магнитной индукции, пронизывающих ограниченную контуром поверхность, изменяется.

Рис. 8.3. Возникновение индукционного тока при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих контур: а — контур приближают к магниту; б — ослабляют магнитное поле, в котором расположен контур

Данное явление было названо электромагнитной индукцией, а электрический ток, возникающий при этом, — индукционным (наведенным) током (рис. 8.3).

Возникнет ли в замкнутой рамке индукционный ток, если рамку поступательно (не поворачивая) передвигать между полюсами электромагнита (рис. 8.4)?

выясняем причины возникновения индукционного тока

Вы узнали, когда в замкнутом проводящем контуре возникает индукционный ток. А что является причиной его возникновения? Рассмотрим два случая.

1. Проводящий контур движется в магнитном поле (рис. 8.3, а). В данном случае свободные заряженные частицы внутри проводника движутся вместе с ним в определенном направлении. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы с определенной силой, и под действием этой силы частицы начинают направленное движение вдоль проводника, — в проводнике возникает индукционный электрический ток.

2. Неподвижный проводящий контур расположен в переменном магнитном поле (рис. 8.3, б). В этом случае силы, действующие со стороны магнитного поля, не могут сделать направленным хаотичное движение заряженных частиц внутри проводника. Почему же в контуре возникает индукционный ток? Дело в том, что переменное магнитное поле всегда сопровождается возникновением в окружающем пространстве вихревого электрического поля (силовые линии такого поля являются замкнутыми). Таким образом, не магнитное, а электрическое поле, действуя на свободные заряженные частицы в проводнике, придает им направленное движение, тем самым создавая индукционный ток.

Определяем направление индукционного тока

Чтобы определить направление индукционного тока, воспользуемся замкнутой катушкой. Если изменять пронизывающее катушку магнитное поле (например, приближать или удалять магнит), то в катушке возникает индукционный ток и она сама становится магнитом. Опыты показывают: 1) если магнит приближать к катушке, то катушка будет отталкиваться от магнита; 2) если магнит удалять от катушки, то катушка будет притягиваться к магниту.

Это означает:

Рис. 8.5. Направление индукционного тока в замкнутой катушке: а — магнит приближают к катушке; б — магнит удаляют от катушки

Рис. 8.6. Если вращать рамку в магнитном поле, в рамке возникает индукционный ток

1) если количество линий магнитной индукции, пронизывающих катушку, увеличивается (магнитное поле внутри катушки усиливается), то в катушке возникает индукционный ток такого направления, что катушка будет обращена к магниту одноименным полюсом (рис. 8.5, а).

2) если количество линий магнитной индукции, пронизывающих катушку, уменьшается, то в катушке возникает индукционный ток такого направления, что катушка будет обращена к магниту разноименным полюсом (рис. 8.5, б).

Зная полюсы катушки и воспользовавшись правой рукой (см. § 3), можно определить направление индукционного тока. Аналогично поступают и в случае, когда две катушки надеты на общий сердечник (см. пункт 5 § 8).

Знакомимся с промышленными источниками электрической энергии

Явление электромагнитной индукции используют в электромеханических генераторах, без которых невозможно представить современную электроэнергетику.

Электромеханический генератор — устройство, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.

Выясним принцип действия электромеханического генератора. Возьмем рамку, состоящую из нескольких витков провода, и будем вращать ее в магнитном поле (рис. 8.6). При вращении рамки число пронизывающих ее магнитных линий то увеличивается, то уменьшается. В результате в рамке возникает ток, наличие которого доказывает свечение лампы.

Промышленные генераторы электрического тока устроены практически так же, как электродвигатели, однако по принципу действия генератор — это электрический двигатель «наоборот». Как и электродвигатель, генератор состоит из статора и ротора (рис. 8.7). Массивный неподвижный статор (1) представляет собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого размещен толстый

медный изолированный провод — обмотка статора (2). Внутри статора вращается ротор (3). Он, как и ротор электродвигателя, представляет собой большой цилиндр, в пазы которого вложена обмотка ротора (4). Эта обмотка питается от источника постоянного тока. Ток течет по обмотке ротора, создавая магнитное поле, которое пронизывает обмотку статора.

Под действием пара (на тепловых и атомных электростанциях) или падающей с высоты воды (на гидроэлектростанциях) ротор генератора начинает быстро вращаться. Вследствие этого число линий магнитной индукции, пронизывающих витки обмотки статора, изменяется и в обмотке возникает индукционный ток. После ряда преобразований этот ток подают потребителям электрической энергии.

Учимся решать задачи Задача. Катушка и алюминиевое кольцо надеты на общий сердечник (рис. 1). Определите направление индукционного тока в кольце при замыкании ключа. Как будет вести себя кольцо в момент замыкания ключа? через некоторое время после замыкания ключа? в момент размыкания ключа?

Анализ физической проблемы, решение

1) Ток в катушке направлен по ее передней стенке вверх (от «+» к «-»). Воспользовавшись правой рукой, определим полюсы катушки (направление магнитных линий внутри катушки): ближе к кольцу будет южный полюс катушки (рис. 2).

2) В момент замыкания ключа сила тока в катушке увеличивается, поэтому магнитное поле внутри кольца усиливается.

3) В кольце возникает индукционный ток такого направления, что кольцо будет обращено к катушке одноименным полюсом (южным) и оттолкнется от нее.

4) Воспользовавшись правой рукой, определим направление индукционного тока в кольце (оно будет противоположно направлению тока в катушке).

Почти сразу после замыкания ключа ток в катушке будет постоянным, магнитное поле внутри кольца не будет изменяться и индукционного тока в кольце не будет. Кольцо изготовлено из магнитослабого материала, поэтому оно почти не будет взаимодействовать с катушкой.

В момент размыкания ключа сила тока в катушке быстро уменьшается, созданное катушкой магнитное поле ослабляется. В кольце возникает индукционный ток такого направления, что кольцо будет обращено к катушке разноименным полюсом и на короткое время притянется к ней (рис. 3).

Как определить направление индукционного тока (алгоритм)

1. Определяем направление магнитной индукции внешнего магнитного поля (B).

2. Выясняем, усиливается или ослабляется внешнее магнитное поле (увеличивается или уменьшается число линий магнитной индукции, пронизывающих контур).

3. Определяем направление магнитного поля, созданного индукционным током (B).

4. Определяем направление индукционного тока.

Подводим итоги

В замкнутом проводящем контуре при изменении количества линий магнитной индукции, пронизывающих контур, возникает электрический ток. Такой ток называют индукционным, а явление возникновения тока — электромагнитной индукцией.

Одна из причин возникновения индукционного тока заключается в том, что переменное магнитное поле всегда сопровождается возникновением в окружающем пространстве электрического поля. Электрическое поле действует на свободные заряженные частицы в проводнике, и те начинают двигаться направленно — возникает индукционный ток.

Контрольные вопросы

1. Опишите опыты М. Фарадея. 2. В чем состоит явление электромагнитной индукции? 3. Какой ток называют индукционным? 4. Каковы причины возникновения индукционного тока? 5. Работа каких устройств основана на явлении электромагнитной индукции? Какие преобразования энергии в них происходят? 6. Опишите устройство и принцип действия генераторов электрического тока.

Упражнение № 8

1. Две неподвижные катушки расположены так, как показано на рис. 1. Миллиамперметр, подключенный к одной из катушек, регистрирует наличие тока. При каком условии это возможно?

2. На рис. 2 изображено устройство, которое называют «кольца Ленца». Устройство состоит из двух алюминиевых колец (сплошного и разрезанного),

закрепленных на алюминиевом коромысле, которое может легко вращаться вокруг вертикальной оси.

1) Как будет вести себя сплошное кольцо устройства, если: а) приближать к нему магнит? б) удалять от него магнит? в) приближать к нему магнит южным полюсом?

2) Для каждого случая а-в в пункте 1 определите направление индукционного тока в сплошном кольце и направление индукции магнитного поля, созданного этим током.

3) Что будет происходить, если магнит приближать к разрезанному алюминиевому кольцу?

3. Две катушки надеты на один сердечник (рис. 3). Определите направление индукционного тока в катушке А, если: 1) замкнуть цепь; 2) разомкнуть цепь; 3) передвинуть ползунок реостата влево; 4) передвинуть ползунок реостата вправо.

4. Составьте задачу, обратную задаче, рассмотренной в пункте 5 § 8. Решите составленную задачу.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Тема. Наблюдение явления электромагнитной индукции.

Цель: исследовать условия возникновения индукционного тока в замкнутой катушке; выяснить факторы, от которых зависят сила и направление индукционного тока.

Оборудование: миллиамперметр, два полосовых или два подковообразных магнита, проволочная катушка-моток на каркасе, маркер.

указания к работе

подготовка к эксперименту

1. Перед выполнением работы вспомните:

1) требования безопасности при работе с электрическими цепями;

2) правила, которые необходимо соблюдать при измерении силы тока амперметром;

3) как зависит сила индукционного тока от скорости изменения магнитного поля;

4) от чего зависит направление индукционного тока.

2. Выполните задание. На рис. 1-4 изображены полосовой магнит, катушка-моток, присоединенная к миллиамперметру, и указано направление скорости движения магнита. Перенесите рисунки в тетрадь и для каждого случая: 1) укажите магнитные полюсы катушки; 2) определите и покажите направление индукционного тока в катушке.

3. Соберите электрическую цепь, присоединив провода катушки к клеммам миллиамперметра.

4. На одном из торцов катушки поставьте маркером метку.

Строго придерживайтесь инструкции по безопасности (см. форзац). Эксперимент 1

Выяснение условий возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике и факторов, от которых зависит направление индукционного тока.

Удерживая катушку и магнит в руках, последовательно выполните опыты, перечисленные в табл. 1. Заполните табл. 1.

Обратите внимание! Магнит нужно вводить в катушку и выводить из нее только со стороны того торца катушки, на котором поставлена метка.

Таблица 1

Действия

с магнитом и катушкой

Как ведет себя стрелка миллиамперметра (отклоняется влево, вправо, не отклоняется)

Вводим магнит в катушку северным полюсом

Оставляем магнит неподвижным

Выводим магнит из катушки

Вводим магнит в катушку южным полюсом

Оставляем магнит неподвижным

Выводим магнит из катушки

Приближаем катушку к южному полюсу магнита

Приближаем катушку к северному полюсу магнита

Анализ результатов эксперимента 1

Проанализируйте табл. 1 и сформулируйте вывод, в котором укажите:

1) при каких условиях в замкнутой катушке возникает индукционный ток;

2) как изменяется направление индукционного тока при изменении направления движения магнита;

3) как изменяется направление индукционного тока при изменении полюса магнита, который приближают или удаляют от катушки.

Эксперимент 2

Выяснение факторов, от которых зависит значение индукционного тока. Удерживая катушку и магнит в руках, последовательно выполните опыты, перечисленные в табл. 2. Каждый раз снимайте показания миллиамперметра и заносите их в табл. 2.

Таблица 2

Действия

с магнитом и катушкой

Сила тока I, мА

Быстро вводим магнит в катушку

Медленно вводим магнит в катушку

Быстро вводим в катушку два магнита, сложенных одноименными полюсами

Медленно вводим в катушку два магнита, сложенных одноименными полюсами

Анализ результатов эксперимента 2

Проанализируйте табл. 2 и сформулируйте вывод, в котором укажите:

1) как зависит сила индукционного тока от скорости относительного движения магнита и катушки;

2) как зависит сила индукционного тока от значения индукции внешнего магнитного поля, изменение которого послужило причиной возникновения тока в катушке.

Творческое задание

Продумайте и запишите план проведения экспериментов по исследованию условий возникновения индукционного тока в замкнутой катушке для случаев, когда две катушки надеты на общий сердечник (см. рис. 5-7). По возможности проведите эксперименты. Сформулируйте выводы. Для каждой катушки укажите полюсы и направление тока.

ПОДВОДИМ итоги РАЗДЕЛА I «Магнитное поле»

1. Изучая раздел I, вы выяснили, что сначала человек узнал о постоянных магнитах и начал их использовать; значительно позже были созданы электромагниты.

2. Вы узнали, что около намагниченного тела, подвижной заряженной частицы, и проводника с током существует магнитное поле.

магнитное поле

форма материи, которая существует около намагниченных тел, проводников с током и движущихся заряженных тел или частиц и действует на другие намагниченные тела, проводники с током и движущиеся заряженные тела или частицы, расположенные в этом поле

3. Вы узнали, что в магнитном поле все вещества намагничиваются, но по-разному.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

4. Вы выяснили, что на проводник с током, размещенный в магнитном поле, действует сила Ампера.

СИЛА АМПЕРА

Практическое применение силы Ампера

5. Вы воспроизвели опыты М. Фарадея и ознакомились с явлением электромагнитной индукции.

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Опыты Фарадея

Промышленное получение тока

Когда количество линий магнитной индукции, пронизывающих замкнутую катушку, изменяется, в катушке возникает индукционный электрический ток

Электромеханический генератор —

устройство, в котором благодаря электромагнитной индукции механическая энергия преобразуется в электрическую

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ I «Магнитное поле»

Задания 1, 2, 5-7 содержат только один правильный ответ.

1. (1 балл) Южный магнитный полюс стрелки компаса обычно указывает:

а) на северный географический полюс Земли;

б) южный магнитный полюс Земли;

в) южный географический полюс Земли;

г) экватор Земли.

2. (1 балл) Магнитное поле катушки с током ослабевает, если:

а) в катушку ввести железный сердечник; в) уменьшить силу тока;

б) увеличить число витков в обмотке; г) увеличить силу тока.

А Опыты А. Ампера Б Опыт В. Гильберта В Опыт Х. Эрстеда Г Опыт Ш. Кулона Д Опыты М. Фарадея

3. (2 балла) Установите соответствие между научным фактом и опытами, благодаря которым этот факт был выявлен.

1 Около проводника с током существует магнитное поле

2 Около планеты Земля существует магнитное поле

3 Два проводника с током взаимодействуют

4 Переменное магнитное поле создает электрическое поле

4. (2 балла) Укажите все правильные утверждения.

а) Полюс магнита — это участок поверхности магнита, где магнитное действие проявляется сильнее всего.

б) Линии индукции однородного магнитного поля могут быть искривлены.

в) Единица магнитной индукции в СИ — тесла.

г) Ротор — это неподвижная часть двигателя.

5. (2 балла) В каком случае (рис. 1) направление линий индукции магнитного поля прямого проводника с током указано правильно?

правильно?

7. (2 балла) Прямолинейный проводник длиной 0,6 м расположен в однородном магнитном поле индукцией 1,2 мТл под углом 30° к линиям магнитной индукции поля. Определите силу Ампера, действующую на проводник, если сила тока в нем 5 А.

а) 1,8 мН; б) 2,5 мН; в) 3,6 мН; г) 10 мН.

8. (2 балла) Прежде чем зерно попадает на жернова мельницы, его пропускают между полюсами сильного электромагнита. Для чего это делают?

9. (3 балла) Магнитная стрелка установилась в магнитном поле катушки с током (рис. 3). Определите полюсы источника тока.

10. (3 балла) Рамка поворачивается в магнитном поле постоянного магнита (рис. 4). Определите полюсы источника тока, к которому подключена рамка.

11. (3 балла) Проводник с током расположен в магнитном поле подковообразного магнита (рис. 5). Определите полюсы магнита.

12. (3 балла) Отклонится ли магнитная стрелка от направления «север — юг», если к ней поднести железный брусок? медный брусок?

13. (4 балла) Определите полюсы электромагнита на рис. 6. Как изменится подъемная сила электромагнита, если ползунок реостата передвинуть влево?

14. (4 балла) Определите направление индукционного тока в замкнутом проводящем кольце в момент замыкания ключа (рис. 7).

15. (4 балла) Стальной стержень длиной 40 см и массой 50 г лежит перпендикулярно горизонтальным рельсам (рис. 8). Вдоль рельсов направлено однородное магнитное поле индукцией 0,25 Тл. По стержню пропускают электрический ток силой 2 А. С какой силой стержень давит на рельсы?

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Затем эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

От звезд к «летающим» лягушкам, или Зачем нужны сверхмощные магниты

У большинства людей магниты ассоциируются с компасом. Инженеры вспомнят об их применении в электродвигателях и генераторах электрического тока. Но все эти конструкции уже давно известны. Значит, дальнейшее изучение магнитных явлений уже не нужно?

Не спешите с ответом, вспомните, например, о поездах «без трения». Рельсами для таких поездов является магнитное поле. Два магнита, один из которых размещен в опорах, а второй — в самом поезде, обращены друг к другу одноименными полюсами, а значит, отталкиваются. В результате поезд словно «летит» над дорогой. О преимуществах такого технического решения было подробно рассказано на «Энциклопедической странице» учебника для 7 класса. Для движения поездов «без трения» примененяют сверхмощные магниты. А какие магниты называют сверхмощными и где еще их используют?

Для начала сравним индукции магнитных полей, создаваемых различными объектами. В приведенной таблице указано, во сколько раз индукция В магнитного поля данного объекта отличается от индукции В 3 магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли сравнительно слабое, тем не менее оно может повлиять на точность ряда экспериментов, и ученые научились экранировать его (снижать) в специально оборудованных помещениях — магнитоэкранированных комнатах. Индукция магнитного поля в такой комнате в 10 миллионов раз меньше, чем на поверхности Земли.

Как видим из таблицы, создан магнит, индукция магнитного поля которого больше индукции магнитного поля Земли в 200 000 раз. Для чего нужны такие мощные магниты?

Относительные величины магнитных полей

Прежде всего сверхмощные магниты нужны для удержания пучков заряженных частиц в ускорителях. На рис. 1 изображен один из самых больших в мире ускорителей. По гигантскому кольцу диаметром в несколько километров движутся заряженные частицы. Чтобы частицы «не выплескивались» на стенки, и нужны сверхмощные магниты (рис. 2).

Широко известно применение сверхмощных магнитов в медицине: с их помощью получают изображения внутренних органов человека (рис. 3, 4). В отличие от диагностики с помощью рентгеновских лучей, метод магнитного резонанса значительно безопаснее.

И наконец приведем еще один пример применения сверхмощных магнитов. Инженеры уже заставили «летать» тяжелые поезда, а можно ли научить летать человека или животное?

Оказывается, все дело в материалах. В конструкции поезда для усиления магнитного поля можно использовать ферромагнетики, а вот вещества, из которых состоит организм, таких свойств не имеют. Не вживлять же в тело «железки»!

На пути овладения левитацией помогли сверхмощные магниты. Выяснилось, что при наличии очень сильных магнитных полей даже слабого магнетизма организма достаточно для обеспечения нужной силы отталкивания. Ученым удалось заставить «летать» лягушку, поместив ее во время эксперимента над сверхмощным магнитом (рис. 5). По словам исследователей, после полета испытательница чувствовала себя нормально. Дело за «малым»: нужно увеличить магнитное поле в 10-100 раз — и человек познает пьянящее ощущение полета.

Ориентировочные темы проектов

1. Магнитные материалы и их использование.

2. Магнитная запись информации.

3. Проявление и применение магнитных взаимодействий в природе и технике.

4. Геомагнитное поле Земли.

5. Магнитные бури и их влияние на здоровье человека.

6. Различные электромагнитные устройства.

7. Генераторы электрического тока.

Темы рефератов и сообщений

1. Влияние магнитного поля на качество и скорость прорастания семян.

2. Влияние магнитного поля на жизнь и здоровье человека.

3. Сила Лоренца. Проявления силы Лоренца в природе, применение в технике.

4. История изучения магнетизма.

5. Магнитные моменты атома и его составных частей.

6. Антимагнитные вещества и их применение.

7. Вклад украинских ученых в изучение магнетизма.

8. М. Фарадей и Дж. Максвелл — основатели теории электромагнитного поля.

9. Магнитные бури в атмосфере планет-гигантов Сатурна и Урана.

10. Никола Тесла — человек, опередивший свое время.

11. Как работают ускорители заряженных частиц.

12. Что такое магнитный сепаратор и для чего он предназначен.

13. МГД -генератор: что он генерирует и как работает.

14. Что такое петля гистерезиса и как она связана с намагничиванием и перемагничиванием.

15. Магнитная жидкость: уникальные свойства, примеры применения.

темы экспериментальных исследований

1. Изучение свойств постоянных магнитов.

2. Исследование магнитного поля Земли.

3. Измерение магнитной индукции магнитного поля катушки с током; магнитного поля подковообразного магнита.

4. Изготовление генератора электрического тока.

5. Исследование явления электромагнитной индукции.

6. Изготовление магнитной жидкости, исследование ее свойств.

7. Изготовление электродвигателя.

Это материал учебника

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 24.05.2015 20:43 Просмотров: 6301

Электрические и магнитные явления тесно связаны. И если ток порождает магнетизм, то должно существовать и обратное явление — появление электрического тока при движении магнита. Так рассуждал английский учёный Майкл Фарадей , в 1822 г. сделавший в своём лабораторном дневнике следующую запись: «Превратить магнетизм в электричество».

Этому событию предшествовало открытие явления электромагнетизма датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом, обнаружившим возникновение магнитного поля вокруг проводника с током. Много лет Фарадей проводил различные эксперименты, но первые опыты не принесли ему удачи. Основная причина была в том, что учёный не знал, что лишь переменное магнитное поле способно создать электрический ток. Реальный результат удалось получить лишь в 1831 г.

Опыты Фарадея

Нажать на картинку

В опыте, проделанном 29 августа 1931 г., учёный обмотал витками проводов противоположные стороны жел езного кольца. Один провод он соединил с гальванометром. В момент подключения второго провода к батарее стрелка гальванометра резко отклонялась и возвращалась в исходное положение. Такая же картина наблюдалась и при размыкании контакта с батареей. Это означало, что в цепи появлялся электрический ток. Он возникал в результате того, что силовые линии магнитного поля, созданного витками первого провода, пересекали витки второго провода и генерировали в них ток.

Опыт Фарадея

Через несколько недель был проведен опыт с постоянным магнитом. Фарадей подключил гальванометр к катушке из медной проволоки. Затем резким движением втолкнул внутрь магнитный стержень цилиндрической формы. В этот момент стрелка гальванометра также резко качнулась. Когда стержень извлекался из катушки, стрелка качнулась также, но в противоположную сторону. И так происходило каждый раз, когда магнит вталкивался или выталкивался из катушки. То есть ток появлялся в контуре при движении магнита в нём. Так Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество».

Фарадей в лаборатории

Ток в катушке появляется также, если вместо постоянного магнита внутри неё перемещать другую катушку, подключенную к источнику тока.

Во всех этих случаях происходило изменение магнитного потока, пронизывающего контур катушки, что приводило к появлению электрического тока в замкнутом контуре. Это явление навали электромагнитной индукцией , а ток – индукционным током .

Известно, что ток в замкнутом контуре существует, если в нём поддерживает разность потенциалов с помощью электродвижущей силы (ЭДС). Следовательно, при изменении магнитного потока в контуре такая ЭДС в нём и возникает. Она называется ЭДС индукции .

Закон Фарадея

Майкл Фарадей

Величина электромагнитной индукции не зависит от того, по какой причине меняется магнитный поток – изменяется ли само магнитное поле или контур движется в нём. Она зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

где ε – ЭДС, действующая вдоль контура;

Ф В – магнитный поток.

На величину ЭДС катушки в переменном магнитном поле влияет число витков в ней и величина магнитного потока. Закон Фарадея в этом случае выглядит так:

где N – число витков;

Ф В – магнитный поток через один виток;

Ψ – потокосцепление, или суммарный магнитный поток, сцепляющийся со всеми витками катушки.

Ψ = N ·Ф i

Ф i – поток, проходящий через один виток.

Даже слабый магнит может создать большой ток индукции, если скорость движения этого магнита высока.

Так как индукционный ток возникает в проводниках при изменении магнитного потока, пронизывающего их, то в проводнике, который движется в неподвижном магнитном поле, он появится тоже. Направление тока индукции в этом случае зависит от направления движения проводника и определяется по правилу правой руки: «Если расположить ладонь правой руки таким образом, чтобы в неё входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый на 90 0 большой палец показывал бы направление движения проводника, то вытянутые 4 пальца укажут направление индуцированной ЭДС и направление тока в проводнике ».

Правило Ленца

Эмилий Христианович Ленц

Направление тока индукции определяется по правилу, которое действует во всех случаях, когда такой ток возникает. Это правило сформулировал российский физик балтийского происхождения Эмилий Христианович Ленц: «Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток противодействует изменению того магнитного потока, который этот ток вызвал.

Нужно заметить, что такой вывод был сделан учёным на основании результатов опытов. Ленц создал прибор, состоящий из свободно вращающейся алюминиевой пластинки, на одном конце которой было закреплено сплошное кольцо из алюминия, а на другом – кольцо с надрезом.

Если магнит приближали к сплошному кольцу, оно отталкивалось и начинало «убегать».

Нажать на картинку

При отдалении магнита кольцо стремилось догнать его.

Нажать на картинку

Ничего подобного не наблюдалось с разрезанным кольцом.

Ленц объяснил это тем, что в первом случае индукционный ток создаёт магнитное поле, линии индукции которого направлены противоположно линиям индукции внешнего магнитного поля. Во втором случае линии индукции магнитного поля, созданного индукционным током, совпадают по направлению с линиями индукции поля постоянного магнита. В разрезанном кольце ток индукции не возникает, поэтому оно не может взаимодействовать с магнитом.

Согласно правилу Ленца при увеличении внешнего магнитного потока индукционный ток будет иметь такое направление, что созданное им магнитное поле будет препятствовать такому увеличению. Если же внешний магнитный поток уменьшается, то магнитное поле индукционного тока будет поддерживать его и не давать ему уменьшаться.

Генератор электрического тока

Генератор переменного тока

О ткрытие Фарадеем электромагнитной индукции позволило использовать это явление на практике.

Что произойдёт, если вращать катушку с большим количеством витков из металлической проволоки в неподвижном магнитном поле? Магнитный поток, пронизывающий контур катушки, будет постоянно меняться. И в ней возникнет ЭДС электромагнитной индукции. Значит, такая конструкция может вырабатывать электрический ток. На этом принципе основана работа генераторов переменного тока .

Генератор состоит из 2 частей – ротора и статора. Ротор — это подвижная часть. В генераторах малой мощности чаще всего вращается постоянный магнит. В мощных генераторах вместо постоянного магнита используют электромагнит. Вращаясь, ротор создаёт изменяющийся магнитный поток, который и генерирует электрический ток индукции в витках обмотки, расположенной в пазах неподвижной части генератора – статоре. Ротор приводят во вращение двигателем. Это может быть паровая машина, водяная турбина и др.

Трансформатор

Это, пожалуй, самые распространённое устройство в электротехнике, предназначенное для преобразования электрического тока и напряжения. Трансформаторы используются в радиотехнике и электронике. Без них невозможна передача электроэнергии на большие расстояния.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек, имеющих общий металлический сердечник. Переменный ток, подаваемый на одну из катушек, создаёт в ней переменное магнитное поле, которое усиливается сердечником. Магнитный поток этого поля, пронизывая витки второй катушки, создаёт в ней индукционный электрический ток. Так как величина ЭДС индукции зависит от числа витков, то меняя их соотношение в катушках, можно менять и величину тока. Это очень важно, например, при передаче электроэнергии на большие расстояния. Ведь при транспортировке происходят большие потери, из-за того, что провода нагреваются. Уменьшив с помощью трансформатора ток, эти потери снижают. Но при этом напряжение увеличивается. На конечном этапе с помощью понижающего трансформатора снижают напряжение и увеличивают ток. Конечно, такие трансформаторы устроены гораздо сложнее.

Нельзя не сказать о том, что не только Фарадей пытался создать индукционный ток. Подобные эксперименты проводил также известный американский физик Джозеф Генри. И ему удалось добиться успеха практически одновременно с Фарадеем. Но Фарадей опередил его, опубликовав сообщение о сделанном им открытии раньше Генри.

ИНДУКЦИОННЫЙ ТОК — это электрический ток, возникающий при изменении потока магнитной индукции в замкнутом проводящем контуре. Это явление носит название электромагнитной индукции. Хотите узнать какое направление индукционного тока? Росиндуктор — это торговый информационный портал, где вы найдете информацию про ток.

Определяющее направление индукционного тока правило звучит следующим образом: «Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван». Правая рука развернута ладонью навстречу магнит¬ным силовым линиям, при этом большой палец направлен в сторону движения проводника, а четыре пальца по-казывают, в каком направлении будет течь индукционный ток. Перемещая проводник, мы перемещаем вместе с проводчиком все электроны, заключенные в нем, а при перемещении в магнитном поле электрических зарядов на них будет действовать сила по правилу левой руки.

Направление индукционного тока, как и его величина, определяется правилом Ленца, в котором говорится, что направление индукционного тока всегда ослабляет действие фактора, возбудившего ток. При изменении потока магнитного поля через контур направление индукционного тока будет таким, чтобы скомпенсировать эти изменения. Когда магнитное поле возбуждающее ток в контуре создается в другом контуре, направление индукционного тока зависит от характера изменений: при увеличении внешнего тока индукционный ток имеет противоположное направление, при уменьшении — направлен в ту же сторону и стремиться усилить поток.

Катушка с индукционным током имеет два полюса (северный и южный), которые определяются в зависимости от направления тока: индукционные линии выходят из северного полюса. Приближение магнита к катушке вызывает появление тока с направлением, отталкивающим магнит. При удалении магнита ток в катушке имеет направление, способствующее притягиванию магнита.


Индукционный ток возникает в замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Контур может быть как неподвижным (помещенным в изменяющийся поток магнитной индукции), так и движущимся (движение контура вызывает изменение магнитного потока). Возникновение индукционного тока обуславливает вихревое электрическое поле, которое возбуждается под воздействием магнитного поля.

О том, как создать кратковременный индукционный ток можно узнать из школьного курса физики.

Для этого есть несколько способов:

  • — перемещение постоянного магнита или электромагнита относительно катушки,
  • — перемещение сердечника относительно вставленного в катушку электромагнита,
  • — замыкание и размыкание цепи,
  • — регулирование тока в цепи.


Основной закон электродинамики (закон Фарадея) гласит, что сила индукционного тока для любого контура равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур, взятой со знаком минус. Сила индукционного тока носит название электродвижущей силы.


>> Направление индукционного тока. Правило Ленца

Присоединив катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или удаляется от нее (см. рис. 2.2, б).

Возникающий индукционный ток того или иного направления как-то взаимодействует с магнитом (притягивает или отталкивает его). Катушка с проходящим по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки выполняет роль северного полюса (линии магнитной индукции выходят из него). На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.

Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюса отталкиваются.

При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.

В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается (рис. 2.5, а), а во втором случае уменьшается (рис. 2.5, б). Причем в первом случае линии индукции магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 2.5 изображены черным цветом. В случае а катушка с током аналогична магниту, северный полюс которого находится сверху, а в случае б — снизу.

Аналогичные выводы можно сделать с помощью опыта, показанного на рисунке 2.6. На концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца. Одно из них с разрезом. Если поднести магнит к кольцу без разреза, то в нем возникнет индукционный ток и направлен он будет так, что это кольцо оттолкнется от магнита и стержень повернется. Если удалять магнит от кольца, то оно, наоборот, притянется к магниту. С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока. Отталкивает или притягивает катушка магнит, это зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.

Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки. Ведь линии индукции этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный
ток создает магнитное поле с индукцией , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

В этом и состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем .

Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:

1. Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (Ф > 0), или уменьшается (Ф 3. Установить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции при Ф > 0 и иметь одинаковое с ними направление при Ф 4. Зная направление линий магнитной индукции , найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.

Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток .


1. Как определяется направление индукционного тока?
2. Возникнет ли в кольце с разрезом электрическое поле, если подносить к нему магнит!

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Возникновение в проводнике ЭДС индукции

Если поместить в проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет , называемая ЭДС индукции .

ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.

Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током.

Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией .

Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.

Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в . На использовании его основано устройство различных электрических машин.

Величина и направление ЭДС индукции

Рассмотрим теперь, каковы будут величина и направление индуктированной в проводнике ЭДС.

Величина ЭДС индукции зависит от количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени, т. е. от скорости движения проводника в поле.

Величина индуктированной ЭДС находится в прямой зависимости от скорости движения проводника в магнитном поле.

Величина индуктированной ЭДС зависит также и от длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля. Чем большая часть проводника пересекается силовыми линиями поля, тем большая ЭДС индуктируется в проводнике. И, наконец, чем сильнее магнитное поле, т. е. чем больше его индукция, тем большая ЭДС возникает в проводнике, пересекающем это поле.

Итак, величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и скорости его перемещения.

Зависимость эта выражается формулой Е = Blv,

где Е — ЭДС индукции; В — магнитная индукция; I — длина проводника; v — скорость движения проводника.

Следует твердо помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, ЭДС индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой ЭДС в нем не индуктируется. Поэтому приведенная выше формула справедлива только в том случае, когда проводник перемещается перпендикулярно магнитным силовым линиям поля.

Направление индуктированной ЭДС (а также и тока в проводнике) зависит от того, в какую сторону движется проводник. Для определения направления индуктированной ЭДС существует правило правой руки.

Если держать ладонь правой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал бы направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление действия индуктированной ЭДС и направление тока в проводнике.

Правило правой руки

ЭДС индукции в катушке

Мы уже говорили, что для создания в проводнике ЭДС индукции необходимо перемещать в магнитном поле или сам проводник, или магнитное поле. В том и другом случае проводник должен пересекаться магнитными силовыми линиями поля, иначе ЭДС индуктироваться не будет. Индуктированную ЭДС, а следовательно, и индукционный ток можно получить не только в прямолинейном проводнике, но и в проводнике, свитом в катушку.

При движении внутри постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.

Если магнит опускать в катушку медленно, то возникающая в ней ЭДС будет настолько мала, что стрелка прибора может даже не отклониться. Если же, наоборот, магнит быстро ввести в катушку, то отклонение стрелки будет большим. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от скорости движения магнита, т. е. от того, насколько быстро силовые линии поля пересекают витки катушки. Если теперь поочередно вводить в катушку с одинаковой скоростью сначала сильный магнит, а затем слабый, то можно заметить, что при сильном магните стрелка прибора будет отклоняться на больший угол. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от величины магнитного потока магнита.

И, наконец, если вводить с одинаковой скоростью один и тот же магнит сначала в катушку с большим числом витков, а затем со значительно меньшим, то в первом случае стрелка прибора отклонится на больший угол, чем во втором. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от числа ее витков. Те же результаты можно получить, если вместо постоянного магнита применять электромагнит.

Направление ЭДС индукции в катушке зависит от направления перемещения магнита. О том, как определять направление ЭДС индукции, говорит закон, установленный Э. X. Ленцем.

Закон Ленца для электромагнитной индукции

Всякое изменение магнитного потока внутри катушки сопровождается возникновением в ней ЭДС индукции, причем чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку, тем большая ЭДС в ней индуктируется.

Если катушка, в которой создана ЭДС индукции, замкнута на внешнюю цепь, то по виткам ее идет индукционный ток, создающий вокруг проводника магнитное поле, в силу чего катушка превращается в соленоид. Получается таким образом, что изменяющееся внешнее магнитное поле вызывает в катушке индукционный ток, которой, в свою очередь, создает вокруг катушки свое магнитное поле — поле тока.

Изучая это явление, Э. X. Ленц установил закон, определяющий направление индукционного тока в катушке, а следовательно, и направление ЭДС индукции. ЭДС индукции, возникающая в катушке при изменении в ней магнитного потока, создает в катушке ток такого направления, при котором магнитный поток катушки, созданный этим током, препятствует изменению постороннего магнитного потока.

Закон Ленца справедлив для всех случаев индуктирования тока в проводниках, независимо от формы проводников и от того, каким способом достигается изменение внешнего магнитного поля.


При движении постоянного магнита относительно проволочной катушки, присоединенной к клеммам гальванометра, или при движении катушки относительно магнита возникает индукционный ток.

Индукционные токи в массивных проводниках

Изменяющийся магнитный поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в массивных металлических проводниках. Пронизывая толщу массивного проводника, магнитный поток индуктирует в нем ЭДС, создающую индукционные токи. Эти так называемые распространяются по массивному проводнику и накоротко замыкаются в нем.

Сердечники трансформаторов, магнитопроводы различных электрических машин и аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые нагреваются возникающими в них индукционными токами. Явление это нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части электрических машин и сердечники трансформаторов делают не массивными, а состоящими из тонких листов, изолированных один от другого бумагой или слоем изоляционного лака. Благодаря этому преграждается путь распространения вихревых токов по массе проводника.

Но иногда на практике вихревые токи используются и как токи полезные. На использовании этих токов основана, например, работа , и так называемых магнитных успокоителей подвижных частей электроизмерительных приборов.

Тренировочная работа 16 по физике егэ

Для решения задания №16 нужно знать основы электростатики, а также явление электромагнитной индукции и законы, связанные с нею. В помощь приведены необходимые теоретические сведения, формулы для решения расчетных задач по этим темам.

Теория к заданию №16 ЕГЭ по физике

Закон Кулона

Закон Кулона позволяет вычислить силу взаимодействия пары неподвижных точечных заряженных тел:

где q 1 и q 2 – величина взаимодействующих зарядов, r – расстояние между заряженными телами, k – электрическая постоянная (k=9˙10 9 Н˙м 2 /Кл 2).

Напряженность электрического поля

Напряженность – величина, количественно характеризующая электрическое поле в конкретной его точке. Определяется как результат воздействия поля на точечный неподвижный заряд. Напряженность эл.поля имеет определенную направленность; она направлена из точки с положительным зарядом и в точку с отрицательным.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

При воздействии внешнего эл.поля в проводниках происходит перераспределение свободных электронов, в результате которого они (т.е. отрицательные заряды) концентрируются на одном конце поверхности проводника, а нескомпенсированные положительные заряды – на другом. При этом свободные электроны всегда перемещаются в направлении, противоположном направлению вектора напряженности.

Диэлектрики в электрическом поле поляризируются. Это явление заключается в повороте электрических диполей диэлектрика либо в ограниченном смещении его зарядов под воздействием внешнего эл.поля.

Понятие электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического (индукционного) тока в замкнутом проводнике (проводящем контуре) при изменениях магнитного поля. Магнитная индукция В является количественной характеристикой, демонстрирующей способность магнитного поля осуществлять силовое воздействие на контур. В – векторная величина. Единицей ее измерения является 1 Тл (тесла).

Электродвижущая сила (ЭДС)

ЭДС индукции (ε) – количественная характеристика, определяющая, как в проводящем контуре меняется магнитное поле. В замкнутом контуре ЭДС представляет собой модуль скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

ЭДС вычисляется по формуле: , где – магнитный поток, – время движения магнитного потока. ЭДС – векторная величина. Направление этого вектора всегда противоположно направлению вектора Ф. Единица изменения ЭДС – 1 Вб/с.

Индукционный ток

Сила индукционного тока рассчитывается так: . Сопротивление R в этой формуле принято считать величиной постоянной, исходя из чего, ЭДС прямо пропорциональна величине индукционного тока.

Разбор типовых вариантов заданий №16 ЕГЭ по физике

Демонстрационный вариант 2018

На железный сердечник надеты две катушки, как показано на рисунке. По правой катушке пропускают ток, который меняется согласно приведенному графику. На основании этого графике выберите два верных утверждения о процессах, происходящих в катушках и сердечнике.

  1. В промежутках 0–1 и 1–2 с направления тока в правой катушке различны.
  2. В промежутке времени 2–3 с сила тока в левой катушке отлична от нуля.
  3. Модуль силы тока в левой катушке в промежутке 1–2 с больше, чем в промежутке 3–5 с.
  4. В промежутке 0–2 с модуль магнитной индукции в сердечнике минимален.
  5. В промежутке 1–2 с сила тока в левой катушке равномерно увеличивается.
Алгоритм решения:
  1. Рассматриваем рисунок и соотносим процессы, происходящие в катушках, со значениями на графике.
  2. Записываем формулу для наведенной ЭДС.
  3. Анализируем формулу.
  4. Анализируем варианты ответа и делаем выводы и правильности предложенных утверждений.
Решение:

1. На рисунке видно, что обе катушки имеют общий сердечник. Правая катушка подключена к аккумулятору, силу тока в ней может менять с помощью реостата. Магнитное поле (магнитный поток) создается током в правой катушке и пронизывает левую. Соответственно, в левой катушке наводится ЭДС. Амперметр на рисунке предназначен для измерения силы тока. Его показания, отображенные на графике, при необходимости могут служить альтернативой вольтметру для измерения ЭДС (см.раздел «Индукционный ток»).

2. Записываем формулу для ЭДС: .

3. Из формулы следует, что при увеличении магнитного потока (∆Ф) ЭДС увеличивается. И наоборот. Когда же ∆Ф не изменяется, ЭДС не возникает, т.е. равна нулю.

4. Анализируем предложенные варианты ответов.

1) На графике линия значений для i разделена осью ОХ, т.е. часть их имеет отрицательные значения (отриц.сила тока), часть – положительные (положит.сила тока). Это означает, что на промежутках 0–1 и 1–2 ток движется в разных направлениях, и утверждение верно .

2) На промежутке 2–3 сила тока не меняется → она постоянна → магнитный поток не меняется и ЭДС отсутствует. Следовательно, утверждение неверно .

3) На промежутке 1–2 сила тока в правой катушке – и, следовательно, в сердечнике – меняется на 4 А за 1 с (равна 4 А/с), на промежутке 3–5 – на 4 А за 2 с (равна 2 А/с). Т.е. на промежутке 1–2 сила тока в левой катушке больше, чем на промежутке 3–5. О модуле силы тока здесь упоминается вот почему. Из графика следует, что индукционный ток на промежутке 1–2 возрастает, на 3–5 убывает. Но сравнить здесь предлагается только абсолютные величины изменения, т.е. модули. Итак, утверждение верно .

4) Из графика видно, что на промежутке 0–2 в правой катушке ток изменятся быстро. Это говорит о том, что магнитная индукция (ее модуль) тоже изменяется с определенной скоростью, и ее значение не является минимальным. Утверждение неверно .

5) Чтобы разобраться, верно или нет это утверждение, следует использовать понятие производной.

Поскольку график на промежутке 1–2 представляет собой прямую линию, то мы имеем дело с линейной функцией (у=ax+b). Это означает, что магнитный поток меняется линейно. ЭДС – это фактически производная от магнитного потока (. Производная от линейной функции есть величина постоянная, т.е. ЭДС здесь постоянна. А т.к. она пропорциональна силе тока, то, значит, и сила тока в левой катушке на промежутке 1–2 постоянна. Таким образом, утверждение неверно .

Первый вариант задания (Демидова, №3)

Два незаряженных пластмассовых кубика 1 и 2 сблизили вплотную и поместили в электрическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально вправо, как показано в левой части рисунка. То же самое проделали с двумя незаряженными стальными кубиками 3 и 4. Затем кубики быстро раздвинули и уже потом убрали электрическое поле (правая часть рисунка).

Выберите два верных утверждения, описывающих данный процесс.

  1. После разделения кубик 3 имеет отрицательный заряд.
  2. При помещении пластмассовых кубиков в электрическое поле наблюдается явление поляризации.
  3. В электрическом поле кубики 1 и 2 приобретают суммарный отрицательный заряд.
  4. В электрическом поле кубики 3 и 4 приобретают суммарный отрицательный заряд.
  5. После разделения кубик 2 имеет положительный заряд.
Алгоритм решения:
  1. Анализируем физические процессы, описанные в условии.
  2. Анализируем предложенные варианты ответов и определяем правильность каждого из них.
  3. Записываем ответ.
Решение:

1. Пластмассовые кубики являются диэлектриками. После их помещения в эл.поле перемещения свободных зарядов в них происходить не будет, но возникнет явление поляризации, т.е. выстраивания диполей в том же направлении, в котором направлен вектор напряженности.

Стальные кубики – проводники. Поскольку они расположены вплотную, то заряды в них перераспределятся так: свободные электроны сконцентрируются в 3-м кубике, а положительные заряды – в 4-м. такое перераспределение связано с направлением напряженности. Напряженность направлена вправо, а значит, свободные электроны переместятся влево, т.е. в 3-й кубик.

2. Утверждение 1 верно , исходя из приведенного выше анализа. Утверждение 2 верно , т.к. пластмассовые кубики являются диэлектриками. Утверждение 3 неверно , поскольку кубики 1 и 2 не являются проводниками и перераспределения зарядов в них не происходит. Утверждение 4 неверно ; суммарный отрицательный заряд концентрируется только в одном кубике – 3-м. Утверждение 5 неверно , т.к. перераспределения зарядов в кубиках-диэлектриках не происходит.

Второй вариант задания (Демидова, № 10)

Две маленькие закрепленные бусинки, расположенные в точках А и В, несут на себе заряды +q>0 и -2q соответственно (см. рисунок).

Из приведенного ниже списка выберите два правильных утверждения и укажите их номера.

  1. На бусинку А со стороны бусинки В действует сила Кулона, направленная горизонтально влево.
  2. Напряженность результирующего электростатического поля в точке С направлена горизонтально вправо.
  3. Модули сил Кулона, действующих на бусинки, одинаковы.
  4. Если бусинки соединить медной проволокой, они будут притягивать друг друга.
  5. Если бусинки соединить стеклянной палочкой, их заряды станут равными.
Алгоритм решения:
  1. Анализируем физические процессы, описанные в условии и в предложенных вариантах ответов.
  2. Делаем анализ и расчеты (при необходимости) для каждого из вариантов ответа и выводы об истинности каждого утверждения.
  3. Записываем ответ.
Решение:

1. В задаче взаимодействуют два заряженных тела (бусинки). Они имеют разные знаки, следовательно, притягиваются. Электростатическое поле, созданное зарядами, имеет напряженность, направленную горизонтально.

2. Разберем каждое из утверждений:

1) Бусинка А притягивается бусинкой В. Направление силы Кулона – в сторону бусинки В от бусинки А, т.е. горизонтально слева направо. Утверждение неверно .

2) Результирующая напряженность в точке С формируется из напряженностей, исходящих от точек А и В. Т.к. заряд А положительный, то направление напряженности – горизонтально из т.А в сторону т.С. Напряженность в т.В направлена от т.С горизонтально в т.В, поскольку напряженность отрицательного заряда направлена в него («входит» в него). Соответственно, получаем 2 вектора напряженности, направленные вправо по горизонтали. Результирующая напряженность направлена горизонтально вправо. Утверждение верно .

3) На каждую бусинку по закону Кулона действует сила. Т.е. величина силы в обоих случаях одинакова. Утверждение верно .

4) Медная проволока – проводник. Поэтому после соединения бусинок под воздействием электростатического поля происходит перераспределение заряженных частиц, и заряды выравниваются. Их величина станет равной (+q-2q)/2 = -0,5q. Таким образом, на полюсах (в точках А и В) возникнут отрицательные заряды, которые будут отталкиваться. Утверждение неверно .

5) Заряды не станут равными, поскольку стеклянная палочка не является проводником (стекло – диэлектрик) и перераспределение зарядов не вызывает. Утверждение неверно .

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 031601

Единый государственный экзамен
по ФИЗИКЕ

Инструкция по выполнению работы

Для выполнения экзаменационной работы по физике отводится 3 часа

55 минут (235 минут). Работа состоит из двух частей, включающих в себя

31 задание.

В заданиях 1–4, 8–10, 14, 15, 20, 24–26 ответом является целое число или конечная десятичная дробь. Число запишите в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу в бланк ответа № 1. Единицы измерения физических величин писать не нужно.

Ответом к заданиям 5–7, 11, 12, 16–18, 21 и 23 является

последовательность двух цифр. Ответ запишите в поле ответа в тексте

работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу без пробелов,

запятых и других дополнительных символов в бланк ответов № 1.

Ответом к заданию 13 является слово. Ответ запишите в поле ответа в

тексте работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу в бланк

ответов № 1.

Ответом к заданиям 19 и 22 являются два числа. Ответ запишите в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу, не разделяя числа пробелом, в бланк ответов № 1.

Ответ к заданиям 27–31 включает в себя подробное описание всего хода выполнения задания. В бланке ответов № 2 укажите номер задания и

запишите его полное решение.

При вычислениях разрешается использовать непрограммируемый

калькулятор.

Все бланки ЕГЭ заполняются яркими чёрными чернилами. Допускается использование гелевой, или капиллярной, или перьевой ручки.

При выполнении заданий можно пользоваться черновиком. Записи

в черновике не учитываются при оценивании работы.

Баллы, полученные Вами за выполненные задания, суммируются.

Постарайтесь выполнить как можно больше заданий и набрать наибольшее

количество баллов.

Желаем успеха!

Ниже приведены справочные данные, которые могут понадобиться Вам при выполнении работы.

Десятичные приставки

Наименование

Обозначение

Множитель

Наименование

Обозначение

Множитель

Константы

ускорение свободного падения на Земле

гравитационная постоянная

универсальная газовая постоянная

постоянная Больцмана

постоянная Авогадро

скорость света в вакууме

коэффициент пропорциональности в законе Кулона

модуль заряда электрона

(элементарный электрический заряд)

постоянная Планка

G = 6,7·10 -11 H·м 2 /кг 2

R = 8,31 Дж/(моль·К)

k = 1,38·10 -23 Дж/К

N A = 6·10 23 моль -1

с = 3·10 8 м/с

Масса частиц

электрона

нейтрона

Удельная теплоёмкость

воды 4,2∙10³ Дж/(кг∙К) алюминия 900 Дж/(кг∙К)

льда 2,1∙10³ Дж/(кг∙К) меди 380 Дж/(кг∙К)

железа 460 Дж/(кг∙К) чугуна 800 Дж/(кг∙К)

свинца 130 Дж/(кг∙К)

Удельная теплота

парообразования воды Дж/К

плавления свинца Дж/К

плавления льда Дж/К

Нормальные условия: давление — Па, температура – 0 °С

Молярная масса

водорода

28∙ кг/моль

40∙ кг/моль

2∙ кг/моль

29∙ кг/моль

18∙ кг/моль

кислорода

углекислого газа

4∙ кг/моль

32∙ кг/моль

6∙ кг/моль

20∙ кг/моль

44∙ кг/моль

Часть 1

Ответами к заданиям 1–23 являются слово, число или последовательность цифр или чисел. Запишите ответ в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите в БЛАНК ОТВЕТОВ № 1 справа от номера соответствующего задания, начиная с первой клеточки. Каждый символ пишите в отдельной клеточке в соответствии с приведёнными в бланке образцами. Единицы измерения физических величин писать не нужно.

Жесткость пружины 50 Н/м. Если с помощью этой пружины равномерно тянуть по полу коробку массой 2 кг, то длина пружины увеличивается с 10 до 15 см. Чему равна сила трения коробки о пол?

Ответ: _______________________Н

Чему равна длина звуковой волны частотой 440 Гц в воздухе?

Ответ: _____________________м

Шар, подвешенный на нити, движется по круговой траектории в горизонтальной плоскости с постоянной по модулю скоростью. Выберите 2 верных утверждения.

1) ускорение шарика равно нулю

2) ускорение шарика направлено вертикально вниз

3) ускорение шарика направлено к центру окружности

4) равнодействующая всех сил равна ma

5) равнодействующая всех сил равна 0

Камень бросили с балкона вертикально вверх. Что происходит с его ускорением и полной механической энергией в процессе движения камня вверх? Сопротивление воздуха не учитывать.

    увеличивается

    уменьшается

    не изменяется


Ответ:

При изобарном нагревании одноатомного газа в количестве 2 моль его температура изменилась на 50 К. Какое количество теплоты получил газ в процессе теплообмена?

Ответ: _________________ Дж.

Давление идеального газа при постоянной концентрации его молекул уменьшилось в 2 раза. Выберите два верных утверждения.

1) Температура газа увеличилась в 2 раза.

2) Объем газа остается неизменным

3) Температура газа уменьшилась в 2 раза.

4) Объем газа увеличился в 2 раза.

5) Количество молекул газа увеличилось в 2 раза

В процессе сжатия 1 моль разрежённого гелия его внутренняя энергия всё время остаётся неизменной. Как изменяются при этом температура гелия и его давле­ние?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

    увеличивается

    уменьшается

    не изменяется

Какое направление имеет вектор напряженности электрического поля, созданного двумя одинаковыми разноименными зарядами в точке О?

Ответ: ___________

Какой заряд нужно сообщить двум параллельно соединенным конденсаторам, чтобы зарядить их до разности потенциалов 20000 В, если электроемкости конденсаторов равны 2000 пФ и 1000 пФ.

Ответ: ______________Кл


К источнику тока присоединен резистор. Как изменятся общее сопротивление цепи, сила тока в ней и напряжение на клеммах источника тока, если последовательно к имеющемуся резистору подсоединить еще два таких же?

    увеличивается

    уменьшается

    не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой фи­зической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Установите соответствие между физическими величинами и единицами измерения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

А) Магнитный поток

Б) Индуктивность

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.


Изотоп 88 226 Ra превратился в изотоп 82 206 РЬ. При этом произошло

    пять а-распадов и четыре β-распада

    четыре а-распада и три β-распада

    два а-распада и два β-распада

    два а-распада и три β-распада

Ответ: _________

Частица массой m, несущая заряд q, влетает со скоростью в однородное магнитное поле с индукцией и движется по окружности радиусом R. Что произойдёт с радиусом орбиты и периодом обращения частицы при увеличении её заряда q?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения: 1) увеличится

2) уменьшится

3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины.

Цифры в ответе могут повторяться.

При освещении металлической пластины светом длиной волны λ наблюдается явление фотоэлектрического эффек­та. Выберите 2 верных утверждения при уменьшении в 2 раза длины волны падающе­го на пластину света.

    Энергия фотона уменьшается в 2 раза

    Энергия фотона увеличивается в 2 раза

    Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона увеличивается в 2 раза

    Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона увеличивается более чем в 2 раза

    Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона уменьшается менее чем в 2 раза

Песчинка, имеющая заряд 10 -11 Кл, влетела в однород­ное электрическое поле вдоль его силовых линий с начальной скоростью 0,1 м/с и переместилась на расстояние 4 см. Чему равна масса песчинки, если её скорость увеличилась на 0,2 м/с при напряженности поля 10 5 В/м? Ответ выразите в миллиграм­мах (мг). Влиянием силы тяжести пренебречь.

Ответ: _______ мг

В схеме, показанной на рисунке, вольтметр и амперметр можно считать, идеальными, а ис­точник тока имеет конечное со­противление. Движок реостата R передвинули, и показания ампер­метра увеличились. Куда передви­нули движок реостата и как изме­нились показания вольтметра? От­вет обоснуйте.

1 моль аргона, находящийся в цилиндре при температуре 600 К и давлении 4*10 5 Па, расширяется и одновременно охлаждается так, что его температура при расширении обратно пропорциональна объему. Конечное давление газа равно 10 5 Па. Какое количество теплоты газ отдал при расширении, если при этом он совершил работу 2493 Дж?

Фотон с длиной волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает электрон из металлической пластинки (катода), помещенной в сосуд, из которого откачан воздух. Электрон разгоняется однородным электрическим полем напряженностью Е. Пролетев путь 5*10 -4 м, он приобретает скорость 3*10 6 м/с. Какова напряженность электрического поля?

Регистрация на бесплатные Онлайн курсы по физике: http://fizikaonline.ru/ege/ (базовый блок + C часть)

Вариант № 3089944

Тренировочная работа по физике 16.02.2017, вариант ФИ10303

При выполнении заданий с кратким ответом впишите в поле для ответа цифру, которая соответствует номеру правильного ответа, или число, слово, последовательность букв (слов) или цифр. Ответ следует записывать без пробелов и каких-либо дополнительных символов. Дробную часть отделяйте от целой десятичной запятой. Единицы измерений писать не нужно. В заданиях 1–4, 8–10, 14, 15, 20, 25–27 ответом является целое число или конечная десятичная дробь. Ответом к заданиям 5–7, 11, 12, 16–18, 21 и 23 является последовательность двух цифр. Ответом к заданию 13 является слово. Ответом к заданиям 19 и 22 являются два числа.

Если вариант задан учителем, вы можете вписать или загрузить в систему ответы к заданиям с развернутым ответом. Учитель увидит результаты выполнения заданий с кратким ответом и сможет оценить загруженные ответы к заданиям с развернутым ответом. Выставленные учителем баллы отобразятся в вашей статистике.


Версия для печати и копирования в MS Word

Точечное тело движется вдоль горизонтальной оси Ох . На рисунке представлен график зависимости проекции скорости v x этого тела от времени t . Определите путь, пройденный телом за интервал времени от 0 с до 4 с. Ответ выразите в м.

Ответ:

К бруску массой m 1 = 3 кг, находящемуся на закреплённой наклонной шероховатой плоскости, приложена сила F = 12 Н, направленная вдоль плоскости, как показано на рисунке. При этом брусок движется вверх с ускорением. На какую величину изменится ускорение бруска, если, не изменяя модуля и направления силы заменить брусок на другой — из того же материала, но массой ? Ответ выразите в м/с 2 .

Ответ:

Тело свободно падает без начальной скорости. Изменение модуля импульса этого тела за промежуток времени 2 с равно 10 кг·м/с. Чему равна масса тела? Сопротивлением воздуха можно пренебречь. Ответ выразите в кг.

Ответ:

Точечное тело совершает гармонические колебания, двигаясь вдоль прямой линии. Школьник построил график зависимости координаты x этого тела от времени t (показан на рисунке). Чему равна максимальная скорость движения тела? Ответ выразите в м/с.

Ответ:

В сосуд с жидкостью погружают маленький датчик манометра, который регистрирует давление, создаваемое только столбом жидкости (без учёта атмосферного давления). На рисунке представлен график зависимости показаний p этого датчика давления от времени t . Известно, что датчик может либо двигаться строго по вертикали вниз со скоростью 1 мм/с, либо покоиться.

На основании анализа приведённого графика выберите два верных утверждения и укажите в ответе их номера.

1) Максимальная глубина погружения датчика давления равна 20 см.

2) В промежутке времени от 50 с до 150 с датчик давления находился на одной и той же глубине.

3) Плотность жидкости, в которую опустили датчик давления, равна 650 кг/м 3 .

4) Максимальная глубина погружения датчика давления равна 15 см.

5) Плотность жидкости, в которую опустили датчик давления, равна 1300 кг/м 3 .

Ответ:

С высоты 40 м вертикально вверх бросают небольшое точечное тело с начальной скоростью 20 м/с. Определите, как изменятся по сравнению с начальными значениями кинетическая энергия тела и его потенциальная энергия взаимодействия с Землёй (относительно поверхности Земли) через 3 секунды.

1) увеличится;

2) уменьшится;

3) не изменится.

Ответ:

К железному бруску массой 7,8 кг привязали тонкую невесомую нерастяжимую нить, которую перекинули через неподвижный идеальный блок, а сам брусок целиком погрузили в воду (см. рисунок). Свободный конец нити удерживают, действуя на него с некоторой силой так, что брусок находится в равновесии. Установите соответствие между физическими величинами и их численными значениями, выраженными в указанных единицах. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ:

В закрытом сосуде объёмом 20 литров находится 5 моль кислорода. Температура газа равна 127 °С. Чему равно давление газа? Ответ выразите в кПа.

Ответ:

Идеальный газ в количестве ν = 2 моля, получив некоторое количество теплоты от нагревателя, изменил своё состояние, перейдя из состояния 1 в состояние 2 так, как показано на pT -диаграмме. Какую работу совершил газ в процессе 1–2? Ответ выразите в Дж.

Ответ:

Какое количество теплоты сообщили двум молям идеального одноатомного газа в процессе 1−2, изображённом на рисунке? Ответ выразите в килоджоулях и округлите до десятых долей.

Ответ:

На рисунке приведена зависимость давления p идеального газа, количество вещества которого равно ν = 1 моль, от его объёма V в процессе 1−2−3−4−5−6−7−8.

На основании анализа графика выберите два верных утверждения.

1) Работа газа в процессе 2−3 в 2 раза больше, чем работа газа в процессе 6−7.

2) В процессе 2−3 газ совершил в 4 раза большую работу, чем в процессе 6−7.

3) Температура газа в состоянии 3 меньше температуры газа в состоянии 7.

4) Температура газа в состоянии 2 равна температуре газа в состоянии 4.

5) Количество теплоты, отданное газом в процессе 3−4, в 2 раза больше количества теплоты, которое газ отдал в процессе 7−8.

Ответ:

Один моль идеального одноатомного газа совершает адиабатическое сжатие. Как изменяются в результате такого процесса давление и температура газа?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается;

2) уменьшается;

3) не изменяется.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Ответ:

Из однородной проволоки согнули квадрат ABСD и подключили его диагональные вершины A и С к источнику постоянного напряжения (как показано на рисунке). Каждая сторона квадрата по отдельности создаёт в центре квадрата (в точке O ) магнитное поле, модуль индукции которого равен некоторой величине B 0 . Сторона DC перегорела. Как стал направлен относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя ) вектор магнитной индукции поля в центре квадрата?

Ответ:

Через проводник постоянного сечения течёт постоянный ток силой 1 нА. Сколько электронов в среднем проходит через поперечное сечение этого проводника за 0,72 мкс?

Ответ:

На рисунке приведён график зависимости модуля индукции B магнитного поля от времени t . В это поле перпендикулярно линиям магнитной индукции помещён проводящий прямоугольный контур сопротивлением R = 0,25 Ом. Длина прямоугольника равна 5 см, а ширина — 2 см. Найдите величину индукционного тока, протекающего по этому контуру в интервале времени от 5 с до 9 с. Ответ выразите в мА.

Ответ:

Плоский воздушный конденсатор, электроёмкость которого равна 17,7 пФ, заряжают до напряжения 5 В и отключают от источника напряжения. Затем одну пластину начинают медленно удалять от другой. Зависимость расстояния d между пластинами от времени t изображена на рисунке. Электрическая постоянная равна ε 0 = 8,85 · 10 −12 Ф/м.

На основании заданных параметров и приведённого графика, выберите два верных утверждения.

1) Площадь поперечного сечения пластин конденсатора равна 2 см 2 .

2) Заряд на обкладках конденсатора уменьшается обратно пропорционально времени.

3) В момент времени t = 25 с электроёмкость конденсатора станет равна 11,8 пФ.

4) В момент времени t = 10 с напряжённость электрического поля в конденсаторе равна 5 кВ/м.

Ответ:

Идеальный колебательный контур содержит конденсатор ёмкостью C , две катушки индуктивностями L 1 и L 2 = 2L 1 и два ключа К 1 и К 2 . Когда ключ К 1 замкнут, а ключ К 2 разомкнут (см. рисунок), в контуре происходят свободные электромагнитные колебания. В момент, когда на конденсаторе сосредоточен максимальный заряд, ключ К 1 размыкают и одновременно с этим замыкают ключ К 2 . Как изменятся после этого период электромагнитных колебаний в контуре и максимальная сила тока в катушке индуктивностью L 2 по сравнению с максимальной силой тока, протекавшего ранее в катушке индуктивностью L 1 ?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится;

2) уменьшится;

3) не изменится.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Ответ:

Из различных резисторов собраны два участка электрических цепей. Величина сопротивления R = 3 Ом. Напряжение на выводах каждого участка цепи равно 6,3 В.

Установите соответствие между схемами участков электрических цепей и значениями сил токов (в амперах), протекающих через участки цепей. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

СХЕМА УЧАСТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИЛА ТОКА, А

Ответ:

Электронная оболочка электрически нейтрального атома криптона содержит 36 электронов. Сколько нейтронов содержится в ядрах изотопов криптона−78 и криптона−86?

В ответе запишите только числа, не разделяя их пробелом или другим знаком.

Ответ:

На рисунке показаны спектры поглощения трёх смесей неизвестных газов (Х, Y и Z), а также спектры излучения известных газов 1 и 2. Какая из смесей содержит газ 1? В качестве ответа запишите букву, обозначающую смесь газов.

Ответ:

В первом опыте фотокатод освещают светом с длиной волны λ 1 , при этом наблюдается фотоэффект. Во втором опыте фотокатод освещают светом с длиной волны λ 2 λ 1 . Как во втором опыте по сравнению с первым изменяются максимальная кинетическая энергия вылетающих из фотокатода электронов и работа выхода материала фотокатода?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается;

2) уменьшается;

3) не изменяется.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Ответ:

Опыт показывает, что сопротивление R чистых металлов при условиях, близких к нормальным, зависит от температуры по закону где R 0 — сопротивление при температуре 0 °C, а температура t измеряется в градусах Цельсия. Школьник при температуре 0 °C собрал электрическую цепь, состоящую из последовательно соединённых аккумулятора с ЭДС 40 В, амперметра и металлической проволочной спирали (рисунок сверху). Затем он нагрел спираль при помощи спиртовки (рисунок снизу). Пренебрегая сопротивлением аккумулятора, амперметра и проводов, определите сопротивление спирали при температуре 0 °C (в Ом) и найдите температуру (в градусах Цельсия), до которой во втором опыте была нагрета спираль. Показания амперметра можно считать точными. Значения сопротивления и температуры запишите в ответе слитно, не разделяя их пробелом или другим знаком.

Ответ:

Необходимо экспериментально изучить зависимость сопротивления металлического проводника от его длины. Какие два проводника из представленных на рисунке нужно выбрать для проведения такого исследования?

Ответ:

Точечное тело брошено под углом 45° к горизонту со скоростью 20 м/с. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определите модуль скорости этого тела через 0,47 с после броска. Ответ выразите в м/с округлите до целого числа.

Единый государственный экзамен, 2018 г.

Ниже приведены справочные данные, которые могут понадобиться Вам
при выполнении работы.

Инструкция по выполнению работы
Для выполнения экзаменационной работы по физике отводится 3 часа 55
минут (235 минут). Работа состоит из двух частей, включающих в себя 31
задание.
В заданиях 1–4, 8–10, 14, 15, 20, 24–26 ответом является целое число или
конечная десятичная дробь. Число запишите в поле ответа в тексте работы,
а затем перенесите по приведённому ниже образцу в бланк ответа № 1.
Единицы измерения физических величин писать не нужно.

Десятичные приставки

Ответом к заданиям 5–7, 11, 12, 16–18, 21 и 23 является последовательность
двух цифр. Ответ запишите в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу без пробелов, запятых и других дополнительных символов в бланк ответов № 1.

Ответом к заданию 13 является слово. Ответ запишите в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу в бланк ответов № 1.
Ответом к заданиям 19 и 22 являются два числа. Ответ запишите в поле
ответа в тексте работы, а затем перенесите по приведённому ниже образцу,
не разделяя числа пробелом, в бланк ответов № 1.
Ответ к заданиям 27–32 включает в себя подробное описание всего хода
выполнения задания. В бланке ответов № 2 укажите номер задания и запишите его полное решение.
При вычислениях разрешается использовать непрограммируемый калькулятор.
Все бланки ЕГЭ заполняются яркими чёрными чернилами. Допускается
использование гелевой, или капиллярной, или перьевой ручки.
При выполнении заданий можно пользоваться черновиком. Записи в черновике не учитываются при оценивании работы.
Баллы, полученные Вами за выполненные задания, суммируются.
Постарайтесь выполнить как можно больше заданий и набрать наибольшее
количество баллов.
Желаем успеха!

Наименование
гига
мега
кило
гекто
деци

Обозначение
Г
М
к
г
д

Множитель
109
106
103
102
10-1

Наименование
санти
милли
микро
нано
пико

Константы
число π
ускорение свободного падения на Земле
гравитационная постоянная
универсальная газовая постоянная
постоянная Больцмана
постоянная Авогадро
скорость света в вакууме
коэффициент пропорциональности в законе Кулона
модуль заряда электрона
(элементарный электрический заряд)
постоянная Планка
Соотношение между различными единицами
температура
атомная единица массы
1 атомная единица массы эквивалента
1 электронвольт
Масса частиц
электрона
протона
нейтрона

Обозначение

Множитель

С
м
мк
н
п

10-2
10-3
10-6
10-9
10-12

π=3,14
g = 10 м/с2
G = 6,7·10-11 H·м2/кг2
R = 8,31 Дж/(моль·К)
k = 1,38·10-23 Дж/К
NA = 6·1023 моль-1
с = 3·108 м/с
9·109 Н

0 К = -273 °С
1 а.е.м. 1,66 10-27 кг
931 МэВ
1 эВ

.
.
м.

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Единый государственный экзамен
по ФИЗИКЕ

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

Плотность подсолнечного масла 900 кг/м³
воды 1000 кг/м³ алюминия 2700 кг/м³
древесины (сосна) 400 кг/м³ железа 7800 кг/м³
керосина 800 кг/м³ ртути 13600 кг/м³
Удельная теплоёмкость
воды 4,2 10³ Дж/(кг К) алюминия 900 Дж/(кг К)
льда 2,1 10³ Дж/(кг К) меди 380 Дж/(кг К)
железа 460 Дж/(кг К) чугуна 800 Дж/(кг К)
свинца 130 Дж/(кг К)
Удельная теплота
парообразования воды 2,3 · 106 Дж/К
плавления свинца 2,5 · 104 Дж/К
плавления льда 3,3 · 105 Дж/К

На рисунке изображен график зависимости модуля скорости движения тела
от времени. Чему равен путь, пройденный телом за первые 30 с?

Нормальные условия: давление – 105 Па, температура – 0 °С
Молярная масса
азота
28 10-3 кг/моль
аргона
40 10-3 кг/моль
водорода
2 10-3 кг/моль
воздуха
29 10-3 кг/моль
воды
18 10-3 кг/моль

Гелия
кислорода
лития
неона
углекислого газа

4 10-3 кг/моль
32 10-3 кг/моль
6 10-3 кг/моль
20 10-3 кг/моль
44 10-3 кг/моль

Ответ: _______________ м

Тело лежит на наклонной плоскости с углом наклона 30˚. Сила трения покоя, не дающая ему соскальзывать, равна 0,5 Н. Чему равна сила тяжести,
действующая на тело?

Ответ: _______________ Н

Закон, по которому изменяется импульс тела со временем, описывается
формулой px = –10 + 4t. Чему равна проекция на ось Х силы, действующей
на тело?
Ответ: _______________ Н

© 2018 Всероссийский проект «ЕГЭ 100 БАЛЛОВ» vk.com/ege100ballov
Составитель: Коробейников Дмитрий Александрович

Разбор заданий: vk.com/physics_100/2018kim16
Разрешается свободное копирование в некоммерческих образовательных целях

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Часть 1
Ответами к заданиям 1–24 являются слово, число или последовательность цифр или чисел. Запишите ответ в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите в БЛАНК ОТВЕТОВ № 1 справа от номера соответствующего задания, начиная с первой клеточки. Каждый символ
пишите в отдельной клеточке в соответствии с приведёнными в бланке образцами. Единицы измерения физических величин писать не нужно.

Единый государственный экзамен, 2018 г.

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

Однородная балка массой 8 кг уравновешена на трехгранной призме. Четвертую часть балки отпилили. Какую силу нужно приложить к короткому
концу балки, чтобы сохранить равновесие?

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Период колебаний

Ответ: _____________________ Н

На рисунке показана зависимость координаты х тела от времени. Выберите
два утверждения, правильно описывающие движение этого тела на основе
данных графика.

Максимальная
потенциальная энергия

Под действием постоянной силы F, направленной под углом α к горизонту,
брусок массой m движется равномерно по горизонтальной шероховатой
поверхности. Работа силы F по перемещению бруска за время t равна A.
Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по
которым их можно расчитать.

1) Первые 2 с скорость шарика не менялась, а затем ее модуль постепенно уменьшался.
2) Скорость шарика все время увеличивалась.
3) Первые 2 с сумма сил, действовавших на шарик, была равна 0.
4) За первые 3 с шарик переместился на 1 м.
5) Скорость шарика постоянно уменьшалась.
Ответ:


второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими
буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
А) коэффициент трения между
бруском и плоскостью

Гиря массой 2 кг подвешена на тонком шнуре. Если ее отклонить от
положения равновесия на 10 см, а затем отпустить, она совершает
свободные колебания. Что произойдет с периодом колебаний гири и
её максимальной потенциальной энергией, если начальное отклонение гири будет равно 5 см?

Б) скорость движения бруска

ФОРМУЛЫ
1)
2)
3)
4)


1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменится
© 2018 Всероссийский проект «ЕГЭ 100 БАЛЛОВ» vk.com/ege100ballov
Составитель: Коробейников Дмитрий Александрович

Разбор заданий: vk.com/physics_100/2018kim16
Разрешается свободное копирование в некоммерческих образовательных целях

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Единый государственный экзамен, 2018 г.

На рисунке показан график процесса, проведенного над 1 моль идеального
газа. Найдите отношение температур

Ответ: ________________ м/с

Газ отдал Q = 100 кДж теплоты, при этом внешние силы совершили над
ним работу A = 50 кДж. Каково изменение внутренней энергии газа?
Ответ: _________________ кДж

Льдине, находящейся при температуре 0℃, сообщили количество теплоты
1320 кДж. Какая масса льда растает?

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

В начальный момент времени в сосуде под легким поршнем находится
только жидкий эфир. На рисунке показан график зависимости температуры
t эфира от времени τ его нагревания и последующего охлаждения.

Выберете из предложенных утверждений два, которые верно отражают результаты этого опыта.
1) Температура кипения эфира равна 40℃.
2) В момент F в сосуде находился эфир в жидком и газообразном состояниях.
3) На участке EF внутренняя энергия эфира увеличивалась.
4) В момент C эфир закипел.
5) Время, за которое весь эфир испарился, равно времени, за которое
он сконденсировался.
Ответ:

Ответ: _________ кг

© 2018 Всероссийский проект «ЕГЭ 100 БАЛЛОВ» vk.com/ege100ballov
Составитель: Коробейников Дмитрий Александрович

Разбор заданий: vk.com/physics_100/2018kim16
Разрешается свободное копирование в некоммерческих образовательных целях

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Единый государственный экзамен, 2018 г.

Графики А и Б процессов, происходящих в изолированной термодинамической системе, построены в координатах p–V.

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

Установите соответствие между графиками и утверждениями, характеризующими изображённые на графиках процессы.
К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию
правого столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ГРАФИКИ

УТВЕРЖДЕНИЯ
1) В процессе термодинамического расширения газ совершает работу, его внутренняя энергия не
изменяется
2) В процессе термодинамического расширения газ совершает работу, его внутренняя энергия
уменьшается
3) В процессе термодинамического сжатия внешние силы совершают над газом работу, его внутренняя энергия не изменяется
4) В процессе термодинамического сжатия внешние силы совершают над газом работу, его внутренняя энергия увеличивается

Электрон e–, влетевший в зазор между полюсами электромагнита, имеет
горизонтально направленную скорость v, перпендикулярную вектору индукции магнитного поля B (см. рисунок). Куда направлена действующая на
электрон сила Лоренца F? Ответ запишите словом (словами): вправо,
влево, от наблюдателя, к наблюдателю, вниз, веерх.

Ответ: ___________.

Заряженный до напряжения 200 В конденсатор емкостью 100 мкФ параллельно соединили с незаряженным конденсатором емкостью 200 мкФ.
Найдите заряд, появившийся на втором конденсаторе. Ответ выразите в
милликулонах и округлите до десятых.
Ответ: ______________ мКл

Какой магнитный поток пронизывал каждый виток катушки, имеющей
1000 витков, если при равномерном исчезновении магнитного поля в течение 0,8 с в катушке индуцируется ЭДС 10 В?
Ответ: ______________ мВб

© 2018 Всероссийский проект «ЕГЭ 100 БАЛЛОВ» vk.com/ege100ballov
Составитель: Коробейников Дмитрий Александрович

Разбор заданий: vk.com/physics_100/2018kim16
Разрешается свободное копирование в некоммерческих образовательных целях

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Единый государственный экзамен, 2018 г.

Конденсатор идеального колебательного контура длительное время
подключён к источнику постоянного напряжения (см. рисунок). В момент
t0 переключатель К переводят из положения 1 в положение 2. Графики А и
Б представляют изменения физических величин, характеризующих
колебания в контуре после этого. (T – период электромагнитных колебаний
в контуре.)
Установите соответствие между графиками и физическими величинами,
зависимости которых от времени эти графики могут представлять.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию
из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под
соответствующими буквами.
ГРАФИКИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
1) Энергия электрического
поля конденсатора
2) Энергия магнитного поля
катушки
3) Сила тока в катушке
4) Заряд левой обкладки
конденсатора

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

Движущаяся со скоростью v частица, имеющая заряд q и массу m, влетает
между пластин конденсатора. Вылетая из поля конденсатора, частица
отклоняется от первоначального направления на угол α.

Как изменятся модуль скорости вылетевшей частицы и угол α, если
увеличить скорость частицы на входе в конденсатор?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой
физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Модуль скорости
вылетевшей частицы

Угол отклонения α

© 2018 Всероссийский проект «ЕГЭ 100 БАЛЛОВ» vk.com/ege100ballov
Составитель: Коробейников Дмитрий Александрович

Разбор заданий: vk.com/physics_100/2018kim16
Разрешается свободное копирование в некоммерческих образовательных целях

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Единый государственный экзамен, 2018 г.

На дифракционную решетку с периодом d перпендикулярно к ней падает широкий пучок монохроматического света с частотой ν.
Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца
подберите соответствующую позицию второго и
запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
А.) длина волны падающего
света
Б.) угол, под которым наблюдается главный дифракционный максимум m-го порядка

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

Период полураспада изотопа натрия
равен 2,6 года. Изначально было
208 г этого изотопа. Сколько его будет через 7,8 лет?
Ответ: _______ г

ФОРМУЛЫ
1)

Выберете те переходы, представленные на диаграмме энергетических
уровней атома, которые соответствуют поглощению света с наибольшей
энергией и излучению с наименьшей длиной волны. Составьте соответствие элементов правого столбца элементам левого столбца и впишите выбранные цифры в таблицу.
ПРОЦЕСС
А.) поглощение света с наибольшей
энергией
Б.) излучение света с наименьшей
длиной волны

2)
3)
4)

Изотоп урана
претерпевает два и один α-распад. Определите количество протонов и нейтронов элемента, получившегося в результате этой
ядерной реакции.
число протонов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ПЕРЕХОД
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

На рисунке показана мензурка, в которую налита вода. Погрешность измерений равна цене деления мензурки. Определите объем воды в мензурке с
учетом погрешности.

Число нейтронов

Ответ: (____±_____) мл

© 2018 Всероссийский проект «ЕГЭ 100 БАЛЛОВ» vk.com/ege100ballov
Составитель: Коробейников Дмитрий Александрович

В бланк ответов № 1 перенесите только числа, не разделяя их пробелом или другим знаком.

Разбор заданий: vk.com/physics_100/2018kim16
Разрешается свободное копирование в некоммерческих образовательных целях

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ КИМ № 180409

Единый государственный экзамен, 2018 г.

Тренировочный вариант №16 от 09.04.2018

В опытах по изучению закона Архимеда изменяют объем погруженного в
жидкость тела и плотность жидкости. Какую пару опытов необходимо выбрать, чтобы обнаружить зависимость силы Архимеда от объема погруженного тела? (На рисунках указана плотность жидкости.)

В ответ запишите номера выбранных проводников.

Часть 2
Ответом к заданиям 25–27 является число. Запишите это число в
поле ответа в тексте работы, а затем перенесите в БЛАНК ОТВЕТОВ № 1 справа от номера соответствующего задания, начиная
с первой клеточки. Каждый символ пишите в отдельной клеточке
в соответствии с приведёнными в бланке образцами. Единицы измерения физических величин писать не нужно.

Нагреваемый при постоянном давлении идеальный одноатомный газ совершил работу 2000 Дж. Какое количество теплоты было передано газу?
Ответ: ______ Дж

На рисунке представлена схема строения спиральной Галактики («сверху»
и «сбоку»). Проанализируйте утверждения и выберете те два из них, в которых правильно описаны обозначенные на схеме элементы.

В магнитном поле с индукцией B = 0,6 Тл расположен прямолинейный
проводник с током длины l = 0,2 м. Угол между линиями магнитной индукции и проводником α = 30º. Чему равна сила тока в проводнике, если магнитное поле действует на него с силой FA = 0,12 Н?
Ответ: _______ А

1) Номер 4 указывает местонахождение созвездия Телец в спиральном
рукаве.
2) Шаровые скопления отмечены номером 3.
3) Ядро Галактики – номер 1.
4) Номер 5 отмечает диаметр Галактики (≈ 10 000 св. лет).
5) Скопления белых карликов на краю Галактики отмечены номером 2.

В колебательном контуре, состоящем из конденсатора электроёмкостью
2 мкФ и катушки, происходят свободные электромагнитные колебания с
циклической частотой ω = 1000 с-1.

Глава 4, Карточки Электромагнетизм | Quizlet

Когда заряженная частица движется, создается магнитное силовое поле, перпендикулярное движению (стр. 60)

Силовые линии всегда текут с севера на юг вне магнита и с юга на север внутри магнита (стр. 62)

Важно помнить, что силовые линии никогда не пересекаются (стр. 62)

Единицами плотности магнитного потока являются тесла
1 тесла = 10 000 Гс (стр. 62)

Любой движущийся заряд производит поле (стр.65)

Правила руки, основанные на потоке тока (условное направление тока), и правила руки, основанные на потоке электронов (фактическое направление движения электронов), будут полностью противоположны (стр. 66)

Правило большого пальца правой руки Флеминга утверждает, что если правой рукой взять проводник большим пальцем в направлении тока, пальцы укажут направление силовых линий магнитного поля, окружающих проводник (стр. 66)

Сила соленоидов и электромагнетиков определяется количеством витков (или витков) провода, силой тока и проницаемостью сердечника (стр.68)

Если пальцы указывают в направлении тока, большой палец всегда будет указывать на северный полюс (стр. 68)

Факторами, определяющими эффективность соленоидов и электромагнитов, являются диаметр катушки, ее длина , и ток, проходящий по катушке.

Правило генератора правой руки Флеминга гласит, что если большой палец указывает в направлении движения проводника (или арматуры), а указательный палец указывает в направлении магнитных линий силового поля, то средний палец укажет направление условного тока (стр.70)

Каждое токосъемное кольцо соединяется с одним концом провода якоря (стр. 71)

Именно в этой точке вырабатывается переменный ток. Это произошло потому, что при обратном движении провода относительно силовых линий возникает переменный ток (стр. 71)

Один полный оборот якоря генератора представляет собой один цикл (стр. 71)

Частота синусоидальной волны определяется количеством циклов в секунду (cps). Единицей частоты является герц, представленный символом Гц.1 имп/с = 1 Гц (стр. 71)

Пиковое напряжение не совпадает со средним напряжением (стр. 71)

эффект, который будет производиться в сопротивлении постоянному току теми же факторами (стр. 72)

Полное полное сопротивление переменного тока называется импедансом, который обозначается символом Z (стр. 72)

Параметры киловольта представляют собой пиковое напряжение, а не среднее или среднеквадратичное значение (стр.72)

Коммутатор представляет собой одно кольцо, разделенное пополам, причем каждая половина соединена с одним концом провода якоря (стр. 72)

Хотя правило генератора правой руки Флеминга демонстрирует изменение направления тока в провод якоря кольцо коммутатора также перевернуло исходящие соединения, таким образом сохраняя ток в цепи, протекающий в том же направлении. Именно в этой точке возникает постоянный ток (стр. 73-74)

Принцип работы двигателя является результатом взаимодействия магнитных полей, когда электрический ток передается по проводнику, находящемуся в магнитном поле (стр.74)

Правило левой руки Флеминга гласит, что если указательный палец указывает в направлении магнитных силовых линий, а средний палец указывает в направлении условного тока, то большой палец укажет направление, в котором будет двигаться проводник. (стр. 75)

В двигателях постоянного тока используются коммутационные кольца (стр. 75)

В двигателях переменного тока используются контактные кольца (стр. 75)

Синхронные двигатели переменного тока имеют проводящие катушки, которые вращаются с той же скоростью, что и генератор якорь, подающий ток (или кратный скорости якоря) (стр.75)

Асинхронные двигатели переменного тока используют катушку ротора с внешним магнитным полем, создаваемым несколькими парами электромагнитов, что создает сильное магнитное поле, увеличивая мощность двигателя и позволяя ему работать с любой желаемой скоростью (стр. 75). )

Ротор состоит из медных стержней вокруг железного сердечника (стр. 75)

Статор состоит из пар неподвижных магнитов (или, чаще, электромагнитов), расположенных вокруг ротора. Статор должен питаться многофазным током (стр.75)

Все трансформаторы должны работать на переменном токе, чтобы обеспечить установление и разрушение магнитных полей, вызывающих изменения напряжения во вторичной обмотке (стр. 78)

В диоде электроны перетекают со стороны n на сторону p pn переходе и обычный электрический ток движется от стороны p к стороне n (стр. 81)

Катод включал в себя катушку из вольфрамовой проволоки малого диаметра, называемую нитью накала, через которую пропускался ток (стр. 83)

Анод относительно большая металлическая поверхность (стр.83)

Отрицательный заряд на катоде и положительный заряд на аноде. Помните, что поток электронов всегда будет идти от катода к аноду, а это означает, что обычный электрический ток всегда будет идти от анода к катоду (стр. 84).

Трансформаторы

Трансформаторы
Следующий: Согласование импеданса Вверх: Индуктивность Предыдущий: Цепь Трансформатор – это устройство для повышения или понижения напряжения переменный электрический сигнал.Без эффективных трансформаторов передача и распределение переменного тока электроэнергия на большие расстояния была бы невозможна. Рисунок 51 показана принципиальная схема типичного трансформатора. Есть два контура. А именно, первичная цепь и вторичная цепь . Прямого электрического соединения между двумя цепями нет, но каждая цепь содержит катушку, которая индуктивно соединяет ее с другой цепью. В настоящих трансформаторах две катушки намотаны на один и тот же железный сердечник.Железный сердечник предназначен для направления магнитного потока, создаваемого ток, протекающий по первичной обмотке, так что насколько это возможно, также связывает вторичная катушка. Общий магнитный поток, связывающий две катушки, условно обозначается на принципиальных схемах рядом параллельных прямых линий, проведенных между катушками.
Рисунок 51: Принципиальная схема трансформатора.

Рассмотрим особенно простой трансформатор, в котором первичная и вторичная Катушки представляют собой соленоиды с одним и тем же заполненным воздухом сердечником.Предположим, что — длина сердечника, а — площадь его поперечного сечения. Пусть общее число витков в первичной обмотке, и пусть общее количество витков во вторичной катушке. Предположим, что переменное напряжение

(281)

подается в первичную цепь от какого-либо внешнего источника переменного тока. Здесь, пиковое напряжение в первичной цепи, частота чередования (в радианах в секунду).Ток, движущийся вокруг первичная цепь написана
(282)

где максимальный ток. Этот ток создает изменяющийся магнитный поток, в сердечнике соленоида, который связывает вторичную катушку, и, тем самым, индуктивно генерирует переменную ЭДС
(283)

во вторичной цепи, где пиковое напряжение. Предположим, что это ЭДС вызывает переменный ток
(284)

вокруг вторичной цепи, где пиковый ток.

Записано уравнение цепи для первичной цепи

(285)

предполагая, что сопротивление в этой цепи пренебрежимо мало. Первый срок в приведенном выше уравнении — ЭДС, генерируемая извне. Второй срок противо-ЭДС из-за собственной индуктивности первичной катушки. То окончательный термин — это ЭДС из-за взаимной индуктивности первичной обмотки. и вторичные катушки. При отсутствии какого-либо значительного сопротивления в первичном цепи эти три ЭДС в сумме должны равняться нулю.Уравнения (281), (282), (284) и (285) можно комбинировать, чтобы получить
(286)

поскольку
(287)

Переменная ЭДС, создаваемая во вторичной цепи, состоит из ЭДС, создаваемая собственной индуктивностью вторичной обмотки, плюс ЭДС, создаваемая взаимной индуктивностью первичной и вторичной катушек.Таким образом,

(288)

Уравнения (282), (283), (284), (287) и (288) дают
(289)

Теперь мгновенная выходная мощность внешнего источника переменного тока, который управляет первичный контур

(290)

Точно так же мгновенная электрическая энергия в единицу времени, индуктивно передаваемая от первичный во вторичный контур
(291)

Если резистивные потери в первичной а вторичные цепи пренебрежимо малы, как и предполагается, тогда по энергосбережению, эти две силы должны быть всегда равны друг другу.Таким образом,
(292)

который легко сводится к
(293)

Уравнения (286), (289) и (293) дают
(294)

который дает
(295)

и, следовательно,
(296)

Уравнения (293) и (296) можно объединить, чтобы получить
(297)

Обратите внимание, что хотя взаимная индуктивность двух катушек несет полную ответственность за передачу энергия между первичной и вторичной цепями, это собственная индуктивность двух катушек, которые определяют соотношение пиковых напряжений и пиковые токи в этих цепях.

Теперь из разд. 10.2, собственные индуктивности первичного и вторичные катушки задаются а также , соответственно. Следует это

(298)

и, следовательно, что
(299)

Другими словами, отношение пиковых напряжений и пиковых токов в первичном и вторичном контурах определяется соотношением количество витков в первичной и вторичной обмотках.Это последнее соотношение обычно называют коэффициентом витков трансформатора. Если вторичная катушка содержит на больше витков, чем первичная катушка, тогда пиковое напряжение во вторичной цепи превышает , что в первичной цепи. Этот тип трансформатора называется повышающим трансформатором , , потому что он увеличивает напряжение сигнала переменного тока. Обратите внимание, что при повышении трансформатор пиковый ток во вторичной обмотке цепи на меньше , чем пиковый ток в первичной цепи (как и должно быть, если необходимо сохранить энергию).Таким образом, повышающий трансформатор фактически понижает ток. Так же, если вторичная катушка содержит на меньше витков, чем первичная катушка тогда пиковое напряжение во вторичной цепи на меньше, чем на в первичном контуре. Этот тип трансформатора называется понижающим . трансформатор . Обратите внимание, что понижающий трансформатор фактически увеличивает мощность. ток ( т.е. , пиковый ток во вторичной цепи больше, чем в первом контуре).

Электроэнергия переменного тока вырабатывается на электростанциях при довольно низком пиковом напряжении. ( я.е. , что-то вроде 440В), и потребляется бытовыми пользователем при пиковом напряжении 110 В (в США). Однако электричество переменного тока передается от электростанции к месту, где он потребляется при очень высоком пиковом напряжении (обычно 50 кВ). Фактически, как только сигнал переменного тока выходит из генератора на электростанции он подается на повышающий трансформатор, повышающий пиковое напряжение с нескольких сотен вольт до многих десятков киловольт. Выходной сигнал повышающего трансформатора подается на линия электропередач высокого напряжения, которая обычно транспортирует электричество по многие десятки километров, и, как только электричество достигло своего точка потребления, питание подается через серию понижающих трансформаторов до тех пор, пока он не выйдет из бытовой розетки, его пиковое напряжение не только 110В.Но если электроэнергия переменного тока вырабатывается и потребляется при сравнительно низкие пиковые напряжения, зачем утруждать себя повышение пикового напряжения до очень высокого значения в электростанции, а затем снова понизить напряжение, как только электричество достиг точки потребления? Почему бы не генерировать, передавать и распределять электроэнергию при пиковом напряжении 110В? Ну думай об электрике линия электропередач, которая передает пиковую электрическую мощность между электростанцией и город. Мы можем думать о том, что зависит от количества потребителей в городе и характера электрические устройства, которыми они управляют, по существу, как фиксированное количество.Предположим, что и пиковое напряжение и пиковый ток сигнала переменного тока, передаваемого по линии, соответственно. Мы можем думать об этих числах как о переменных, поскольку мы можем изменить их с помощью трансформатора. Однако, поскольку произведение пика напряжение и пиковый ток должны оставаться постоянными. Предположим, что сопротивление линии есть . Пиковая скорость, при которой электрическая энергия теряется из-за к омическому нагреву в линии есть , что можно записать

(300)

Таким образом, если мощность, передаваемая по линии, является фиксированной величиной, как сопротивление линии, то мощность, теряемая в линии из-за омического нагрева, изменяется подобно обратному квадрату из пиковое напряжение в линии.Оказывается, даже при очень высоких напряжениях таких как 50кВ, омические потери мощности в линии электропередач протяженностью в десятки километров может составлять до 20% передаваемой мощности. Это легко может быть оценил, что если была предпринята попытка передать электроэнергию переменного тока при пиковом напряжении 110 В омические потери были бы настолько велики, что практически ни один из сила достигла бы своей цели. Таким образом, можно создать только электроэнергию в центральном месте, передавать ее на большие расстояния, а затем распределять его по месту потребления, если передача выполняется при очень высоких пиковых напряжениях (чем выше, тем лучше).Трансформеры играют жизненно важную роль в этом процессе, потому что они позволяют нам активизировать и понижать напряжение электрического сигнала переменного тока очень эффективно (хорошо продуманный трансформатор обычно имеет потери мощности, которые составляют всего несколько процентов от общая мощность, протекающая через него).

Конечно, трансформаторы не работают на постоянном токе, т.к. магнитный поток, создаваемый первичной катушкой, не изменяется во времени, и, следовательно, не индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. На самом деле не существует эффективного метода активизации или понижение напряжения постоянного электрического сигнала.Таким образом, это невозможно эффективно передавать электроэнергию постоянного тока на большие расстояния. Это главная причина, по которой коммерчески вырабатываемое электричество является переменным, а не постоянным током.



Следующий: Согласование импеданса Вверх: Индуктивность Предыдущий: Цепь
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Электромагнитная катушка

Источник: c8.alamy.com

Электромагнитная катушка представляет собой электрический проводник, такой как провод в форме катушки, спирали или спирали.Электромагнитные катушки используются в электротехнике, в приложениях, где электрический ток взаимодействует с магнитными полями, в таких устройствах, как электродвигатели, генераторы, катушки индуктивности, электромагниты, трансформаторы и обмотки датчиков. Либо электрический ток проходит через провод катушки для создания магнитного поля, либо внешнее изменяющееся во времени магнитное поле внутри катушки создает ЭДС (напряжение) на проводнике.

Ток в проводнике создает круговое магнитное поле вокруг проводника в соответствии с законом Ампера.Преимущество использования формы катушки заключается в том, что она увеличивает силу магнитного поля, создаваемого данным током. Все магнитные поля, создаваемые отдельными проволочными обмотками, проходят через центр катушки и складываются (накладываются друг на друга), создавая там сильное поле. Чем больше витков проволоки, тем сильнее будет поле. Напротив, внешний магнитный поток преобразует в проводник, такой как провод, в силу закона индукции Фарадея индуцирует напряжение. Наведенное напряжение можно увеличить, свернув проволоку в катушку, потому что силовые линии несколько раз пересекают цепь.

Направление магнитного поля, создаваемого катушкой, можно определить по правилу захвата правой рукой. Если радиус правой руки оборачивается вокруг магнитного сердечника катушки в направлении обычного тока через провод, большой палец будет указывать на линию магнитного поля, проходящую через катушку. Кончик магнитного сердечника, из которого выходят силовые линии, определяется как северный полюс.

Существует множество типов катушек, используемых в электрическом и электронном оборудовании.

Видео Катушка электромагнитная

Рулоны и отводы

Провод или проводник, который представляет собой катушку, называется обмоткой .Отверстие в центре катушки называется сердечником или магнитной осью площадью. Каждая петля проволоки называется play . В рулонах, где изгибы соприкасаются, провод должен быть изолирован непроводящим изолирующим слоем, таким как пластик или эмаль, чтобы предотвратить изменение тока, проходящего между проводами. Обмотка часто наматывается вокруг формы катушки, сделанной из пластика или другого материала, чтобы удерживать ее на месте. Конец провода вынимается и соединяется с внешней цепью.Рулон может иметь дополнительное электрическое соединение по своей длине; это называется , нажав . Обмотка, имеющая один отвод посередине своей длины, называется с центрированием .

Катушки могут иметь более одной катушки, электрически изолированной друг от друга. Когда вокруг общей магнитной оси имеется две или более обмотки, катушка называется индуктивно комбинированной или магнитно-связанной . Временной поток, изменяющийся в одной обмотке, создаст магнитное поле, которое изменяет время, проходящее через другие обмотки, что индуцирует временные напряжения, изменяющиеся в других катушках.Это называется трансформатор. Применяемая в настоящее время обмотка, создающая магнитное поле, называется первичной обмоткой . Другие свитки называются вторичными свитками .

Карты Электромагнитная катушка

Магнитный сердечник

Многие электромагнитные катушки имеют в середине магнитный сердечник, кусок ферромагнитного материала, например железа, для усиления магнитного поля. Ток через катушку размагничивает железо, а поле магнитного материала увеличивает поле, создаваемое проводом.Это называется катушкой с ферромагнитным сердечником или катушкой с железным сердечником . Ферромагнитный сердечник может увеличить магнитное поле и индуктивность катушек в сотни или тысячи раз по сравнению с тем, что произошло бы без ядра. Ферритовый сердечник катушки представляет собой разновидность катушек с сердечником из феррита, ферромагнитного керамического соединения. Ферритовая катушка имеет меньшие потери в сердечнике на высоких частотах.

  • Катушка с сердечником, образующим замкнутый контур, возможно, с небольшим воздушным зазором, называется катушкой с замкнутым сердечником.Обеспечивая замкнутый путь для силовых линий магнитного поля, эта геометрия минимизирует магнитное сопротивление и создает самое сильное магнитное поле. Часто используется в трансформаторах.
    • Обмотка с закрытым сердечником представляет собой тороидальную катушку, в которой сердечник имеет форму тора или пончика с круглым или прямоугольным поперечным сечением. Эта геометрия имеет минимальный поток рассеяния и излучает минимальные электромагнитные помехи (EMI).
  • Катушка с сердечником в виде прямого стержня или другой формы без петли называется катушкой с открытым сердечником .Он имеет магнитное поле и меньшую индуктивность, чем закрытый сердечник, но часто используется для предотвращения магнитного насыщения сердечника.

Катушка без ферромагнитного сердечника называется катушкой с воздушным сердечником . К ним относятся рулоны рулонов на пластике или других немагнитных формах, а также настоящие рулоны, внутри которых имеется пустое воздушное пространство.

Источник: i.pinimg.com

Катушки рулонного типа

Катушки можно классифицировать по частоте тока, предназначенной для работы: постоянный ток в обмотках

  • Звукочастотный или ЗЧ катушка, индуктор или трансформатор работает с переменным током в диапазоне звуковых частот менее 20 кГц
  • Радиочастотный или РЧ катушки, индукторы или трансформаторы работают с переменным током в радиочастотном диапазоне выше 20 кГц
  • Катушки можно классифицировать по функциям:

    Электромагнит

    Электромагниты представляют собой катушки, создающие магнитные поля для некоторых внешних целей, часто для приложения механических усилий к чему-либо.Некоторые специальные типы:

    • Соленоид — электромагнит в виде полой спирали прямо из проволоки
    • Обмотки двигателей и генераторов — электромагниты со стальным сердечником на роторе или статоре электродвигателей и генераторов, действующие друг на друга для вращения вал (двигатель) или генерировать электрический ток (генератор)
      • Спиральная спираль — катушка с железным сердечником, создающая постоянное магнитное поле, воздействующее на обмотку якоря.
      • Ролики якоря — катушки с железным сердечником, на которые воздействует магнитное поле от поля обмотки для создания крутящего момента или наведения напряжения для выработки энергии (генератора)
    • нейтрализация внешнего магнитного поля
    • Катушка размагничивания — катушка, используемая для размагничивания секции
    • Звуковая катушка — катушка, используемая в подвижной обмотке громкоговорителя, подвешенной между магнитными полюсами.Когда звуковой сигнал проходит через катушку, она вибрирует, перемещая прикрепленный конус динамика, создавая звуковые волны. Вместо этого он используется в динамических микрофонах, где звуковая вибрация перехватывается чем-то вроде физической передающей диафрагмы на звуковую катушку, погруженную в магнитное поле, а конец катушки обеспечивает электрический аналог вибрации.

    Катушка индуктивности

    Катушка индуктивности или реактор представляет собой катушку, создающую магнитное поле, которое взаимодействует с самой катушкой, вызывая заднюю ЭДС, препятствующую изменению тока через катушку.Катушки индуктивности используются в качестве элементов электрических цепей для хранения временной энергии или выдерживания изменений тока. Некоторые типы:

    • Баковая катушка — катушка индуктивности, используемая в настроенной цепи
    • Дроссель — катушка индуктивности, используемая для блокировки высокочастотного переменного тока и пропускания низкочастотного переменного тока.
    • Нагрузочная катушка — катушка индуктивности, используемая для добавления индуктивности антенне, чтобы заставить ее резонировать, или к кабелю, чтобы предотвратить искажение сигнала.
    • Регулируемые переменные, состоящие из двух последовательных катушек, внешней неподвижной катушки и второй в ней, которая может вращаться так, чтобы магнитная ось была в одном направлении или напротив.
    • Трансформатор обратного хода. Хотя он и называется трансформатором, на самом деле это индуктор, который служит для накопления энергии в импульсных источниках питания и цепях горизонтального отклонения для ЭЛТ-телевизоров и мониторов. насыщение сердечника с помощью постоянного управляющего напряжения во вспомогательной обмотке.
    • Индуктивные балласты — катушки индуктивности, используемые в цепях газоразрядных ламп, таких как люминесцентные лампы, для ограничения тока через лампы.

    Трансформатор

    Трансформатор представляет собой устройство с двумя или более магнитными катушками (или частями отдельных обмоток). Течение времени изменяется в одной катушке (называемой первичной обмоткой), создавая магнитное поле, которое индуцирует напряжение в другой катушке (называемой вторичной обмоткой). Некоторые типы:

    • Распределительные трансформаторы — Трансформаторы в электрических сетях, которые преобразуют высокое напряжение от линий электропередач в более низкое напряжение, используемое потребителями коммунальных услуг.
    • Автотрансформатор — трансформатор только с одной катушкой. Различные части запутывания, к которым можно получить доступ путем врезки, действуют как первичная и вторичная обмотки трансформатора.
    • Тороидальный трансформатор — тороидальный по форме. Это распространенная форма использования, поскольку она уменьшает поток рассеяния, что приводит к слабым электромагнитным помехам.
    • Индукционная катушка или вибрационная катушка — начальный трансформатор, использующий вибрационный прерыватель для прерывания основного тока, чтобы он мог работать от постоянного тока.
      • Катушка зажигания — индукционная катушка, используемая в двигателе внутреннего сгорания для создания импульсов высокого напряжения для воспламенения свечей зажигания, запускающих сгорание топлива.
    • Балун — согласующий трансформатор с симметричной линией передачи на несимметричный канал.
    • Бифилярная катушка — спиральная катушка с двумя параллельными линиями и непосредственной близостью. Если переменный ток проходит в том же направлении, магнитный поток увеличится, но если тот же ток в противоположном направлении проходит через обмотку, противоположный поток нейтрализуется, что приводит к нулевому потоку в сердечнике.Таким образом, в третьей обмотке на сердечнике не будет индуцироваться напряжение. Они используются в приборах и устройствах, таких как прерыватели замыкания на землю. Они также используются в проволочных резисторах с низкой индуктивностью для использования на радиочастотах.
    • Аудиопреобразователи — Преобразователи, используемые с аудиосигналами. Они используются для согласования импедансов.
      • Гибридная катушка — специальный звуковой преобразователь с 3 обмотками, используемый в телефонной цепи для преобразования между двухпроводной и четырехпроводной цепями

    Силовой двигатель

    катушки, которые взаимодействуют с движущимся магнитным полем для преобразования электрической энергии в механическую.Часто машина будет иметь одну катушку, через которую проходит большая часть мощности двигателя («якорь»), и вторую обмотку, которая обеспечивает магнитное поле вращающегося элемента («прокрутка поля»), которая может быть соединена щеткой или кольцо скользит к внешнему источнику электрического тока. В асинхронном двигателе обмотка возбуждения «ротор» получает питание за счет относительно медленного движения между обмоткой обмотки и вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, которое индуцирует ток потребления, необходимый в роторе.

    Спиральный преобразователь

    Это катушка, используемая для преобразования изменяющегося во времени магнитного поля в электрический сигнал и наоборот. Некоторые типы:

    • Сенсор или измерительная катушка — используется для обнаружения магнитных полей, которые изменяются во времени
    • Индуктивный сенсор — катушка, определяющая, когда через нее проходит магнит или железный предмет
    • Регистрирующая головка — используемая катушка для создания магнитного поля для записи данных на магнитные носители информации, такие как магнитная лента или жесткий диск.Вместо этого он также используется для чтения данных в виде изменений магнитного поля в среде.
    • Катушки индукционного нагрева — Катушки переменного тока, используемые для нагрева объектов путем наведения в них вихревых токов, процесс, называемый индукционным нагревом.
    • Рамочная антенна — катушка, действующая как радиоантенна для преобразования радиоволн в электрический ток.
    • Катушка Роговского — тороидальная катушка используется в качестве датчика переменного тока.
    • Инструменты звукоснимателя — катушки, используемые для создания выходного аудиосигнала в электрогитаре или бас-гитаре.
    • Поток затвора — катушка датчика, используемая в магнитометре
    • Картридж магнитного фонографа — датчик в проигрывателе, использующий катушку для преобразования вибрации иглы в звуковой сигнал при вращении грампластинки.

    Существуют также типы катушек, не подпадающие под эту категорию.

    Источник: thumbs.dreamstime.com

    Технология намотки


    Источник: i.ytimg.com

    Ссылки


    Источник: powerpictures.crystalgraphics.com

    Дополнительная литература

    • Querfurth, William, « Намотка катушки, описание процедуры намотки катушки, намоточный станок и сопутствующее оборудование для электронной промышленности » (2-е изд.). Чикаго, G. Stevens Mfg. Co., 1958.
    • Weymouth, F. Marten, « Якорный барабан и коллектор (теория и практика): полный трактат по теории и конструкции барабанных катушек и коммутаторов для якорей с замкнутой катушкой. , вместе с полным раэ © суммà© из некоторых основных моментов, связанных с их конструкцией, и экспозиции брони и триггерных реакций «.Лондон, «Электрик», типография и издательская компания, 1893 г.
    • « Свиток катушки ». Международная ассоциация намотки катушек.
    • Чандлер, Р. Х., « Обзор слоев катушки, 1970-76 «. Braintree, R. H. Chandler Ltd, 1977.

    источник: us.123rf.com

    Внешние ссылки

    • Калькулятор индуктивности катушки Онлайн-калькулятор для определения индуктивности однослойной и многослойной катушки
    • R
    1 1 .Кларк, « Производство компонентов раны ». Surrey.ac.uk, 2005 October 9

    Источник статьи: Википедия Mastering Physics Solutions

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.1CQ
    Объясните разницу между магнитным полем и магнитным потоком.
    Решение:
    Магнитное поле:
    Это величина магнитной силы, испытываемой заряженной частицей, движущейся со скоростью
    заданной точки пространства
    Магнитный поток:
    Это мера величины магнитного поля, заданная площадь любой катушки

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.1P
    Магнитное поле силой 0,055 Тл проходит через круглое кольцо радиусом 3,1 см под углом 16° к нормали.Найдите величину магнитного потока через кольцо.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.2CQ
    (Ответы на концептуальные вопросы с нечетными номерами можно найти в конце книги)
    Металлическое кольцо с надломом периметр падает из свободной от поля области пространства в область с магнитным полем Какое влияние магнитное поле оказывает на кольцо?
    Решение:
    ЭДС индукции возникает в проводнике, если он движется в магнитном поле и, следовательно, по проводнику протекает некоторый ток. В случае разорванного кольца магнитное поле действительно
    индуцирует ЭДС между концами разорванного кольца, но течение тока по окружности будет затруднено из-за разрыва кольца.

    Глава 23

    Глава 23 Глава Магнитный поток и законодательство о индукции Фарадея Q.2P









    Глава 23 Глава Магнитный поток и фарадовый закон индукции Q.3CQ
    в общей демонстрации классной комнаты, магнит выпадает долго. вертикальная медная трубка. Магнит движется очень медленно по трубке, и ему требуется несколько секунд, чтобы достичь дна. Объясните это поведение
    Решение:
    Вихревой ток в медной трубке создает магнитное поле, противоположное направлению падения.Из-за этого отторжения. магнит медленно падает, и ему требуется много времени, чтобы достичь дна.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.3P
    Магнитное поле направлено под углом 47° к нормали прямоугольного участка размером 5,1 см на 6,8 см. Если магнитный поток через эту поверхность имеет величину 4,8 × 10–5 Тл·м2, то какова напряженность магнитного поля?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.4CQ
    Многие весы с равными плечами имеют небольшую металлическую пластину, прикрепленную к одному из двух рычагов. Пластина проходит между полюсами магнита, установленного в основании весов. Объясните цель этой схемы.
    Решение:
    Электрический ток индуцируется в куске металла из-за относительного движения соседнего магнита, известного как вихревой ток
    Металлическая пластина, движущаяся между полюсами магнита, испытывает вихревые токи, которые замедляют его движение. Это помогает гасить колебания весов, что приводит к более точным показаниям.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.4P
    Найдите величину магнитного потока через пол дома размером 22 м на 18 м. Предположим, что магнитное поле Земли в месте расположения дома имеет горизонтальную составляющую 2,6 × 10–5 Тл, направленную на север, и нисходящую вертикальную составляющую 4,2 × 10–5 Тл. Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.5CQ


    Решение:
    Когда выключатель замкнут, ток в проволочной катушке создает магнитное поле в железном стержне.Это увеличивает магнитный поток через металлическое кольцо и соответствующую ЭДС индукции.
    Ток, создаваемый ЭДС индукции. создает магнитное поле, противоположное по направлению полю в стержне, в результате чего кольцо взлетает в воздух.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.5P
    Магнитное поле, создаваемое соленоидом МРТ длиной 2,5 м и диаметром 1,2 м, составляет 1,7 Тл. Найдите величину магнитного потока через сердечник этого соленоида. .
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.6CQ

    Решение:
    Разрыв предотвращает циркуляцию тока по кольцу. Это, в свою очередь, предотвратит воздействие на кольцо силы, которая подбросит его в воздух.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.6P
    В определенном месте магнитное поле Земли имеет величину 5,9 × 10−5 Тл и направлено в направлении на 72° ниже горизонтали.Найдите величину магнитного потока через верхнюю часть стола в этом месте размером 130 см на 82 см.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.7CQ

    Решение:
    Стержень первоначально движется влево из-за нисходящего тока. По мере его движения создаваемая им ЭДС движения начинает противодействовать ЭДС батареи. Когда обе ЭДС уравновешены, ток в стержне перестает течь, с этого момента он движется с постоянной скоростью.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.7P
    Соленоид с 385 витками на метр и диаметром 17,0 см имеет магнитный поток через его сердечник величиной 1,28 × 10−4 Тл · м2. (а) Найдите силу тока в этом соленоиде, (б) Как изменился бы ваш ответ на вопрос (а), если бы диаметр соленоида увеличился вдвое? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.8CQ
    Пенни лежит на ребре в мощном магнитном поле соленоида MR1.Если монету опрокинуть, потребуется несколько секунд, чтобы она приземлилась на одну из граней. Объяснять.
    Решение:
    Когда пенни начинает падать; происходит большое изменение магнитного потока из-за магнитного поля соленоида.
    Это изменение потока вызывает индуцированный ток в монете, который препятствует ее падению. Таким образом, требуется больше секунд, чтобы приземлиться.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.8P
    Одновитковый квадратный контур со стороной L центрирован на оси длинного соленоида.Кроме того, плоскость квадратного контура перпендикулярна оси соленоида. Соленоид имеет 1250 витков на метр, диаметр 6,00 см и пропускает ток 2,50 А. Найдите магнитный поток через контур, когда (а) L = 3,00 см, (б) L = 6,00 см и (в) Д = 12,0 см.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.9CQ
    Недавно НАСА провело испытания системы выработки электроэнергии, в которой небольшой спутник подключается к космическому шаттлу с помощью проводника длиной в несколько миль.Объясните, как такая система может генерировать электроэнергию.
    Решение:
    Поскольку э.д.с. определяется как произведение длины провода, скорости челнока и перпендикулярной составляющей магнитного поля.
    Длинный токопроводящий провод, соединенный с челноком, движется через поле и может генерировать ЭДС индукции.
    При больших значениях скорости и длины ЭДС индукции достаточно велика, чтобы обеспечить электрическую мощность.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.9P
    Магнитное поле силой 0,45 Тл направлено перпендикулярно круглой проволочной петле с 53 витками и радиусом 15 см. Какова величина ЭДС индукции, если магнитное поле уменьшится до нуля за 0,12 с?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.10CQ
    Объясните, что происходит, когда угловая скорость катушки в электрическом генераторе увеличивается.
    Решение:
    При увеличении угловой скорости катушки в электрогенераторе; величина ЭДС индукции увеличивается, поскольку ЭДС индукции прямо пропорциональна угловой скорости.

    Глава 23

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.10P








    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадая Q.11CQ
    Индуктор в цепи RL определяет, как долго требуется, чтобы ток достиг заданного значения, но это не влияет на конечное значение тока. Объяснять.
    Решение:
    Когда ток в цепи RL достигает заданного значения, он перестает изменяться; обратная ЭДС в индукторе исчезает.
    Таким образом, конечный ток в цепи определяется резистором и ЭДС. аккумулятора.
    Катушка индуктивности ведет себя как идеальный провод с нулевым сопротивлением, когда ток достигает заданного значения.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.11P

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.12CQ

    размыкается, искра обычно проскакивает через контакты выключателя.Почему?
    Решение:
    Катушка индуктивности сопротивляется любому изменению тока, будь то увеличение или уменьшение.
    Когда переключатель в цепи, содержащей индуктор, размыкается, индуктор пытается поддерживать первоначальный ток, поэтому продолжающийся ток вызывает искру, проскакивающую через промежуток.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.12P

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.13P

    Решение:
    Учитывая это, рисунок в данном вопросе показывает четыре различных ситуации, в которых металлическое кольцо движется вправо с постоянной скоростью через область с переменным магнитным полем. Интенсивность цвета указывает интенсивность поля, и в каждом случае поле либо увеличивается, либо уменьшается с одинаковой скоростью от левого края окрашенной области к правому краю.
    Для рисунка (1):–
    Магнитное поле исходит из страницы.Когда кольцо перемещается и покидает магнитное поле, исходящее от страницы, оно создает ЭДС, которая пытается объяснить это изменение. Следовательно, ЭДС индукции будет направлена ​​против часовой стрелки или против часовой стрелки, чтобы создать магнитное поле из страницы через кольцо.
    Для рисунка (2):–

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.14P

    Решение:

    9008x Глава 23 Закон магнитной индукции.15P

    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.16P
    Одиночная проводящая петля имеет площадь 7,2 м2 х 10 Ом и сопротивление 10 Ом . Перпендикулярно плоскости петли находится магнитное поле с напряженностью 0,48 Тл. С какой скоростью (в Тл/с) должно изменяться это поле, чтобы индукционный ток в петле был равен 0,32 А?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.17P
    Площадь 120-витковой катушки, ориентированной плоскостью, перпендикулярной магнитному полю 0,20 Тл, составляет 0,050 м2. Найти среднюю ЭДС индукции в этой катушке, если магнитное поле меняет направление на противоположное за 0,34 с.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.18P
    ЭДС индуцируется в токопроводящей петле из проволоки длиной 1,22 м, когда ее форма меняется с квадратной на круглую. Найти среднюю величину ЭДС индукции, если изменение формы происходит за 4.25 с, а локальное магнитное поле напряженностью 0,125 Тл перпендикулярно плоскости петли.
    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.19P
    Магнитное поле увеличивается с 0 до 0,25 Тл за 1,8 с. Сколько витков проволоки нужно в круглой катушке диаметром 12 см, чтобы создать ЭДС индукции 6,0 В?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.20P

    Решение:
    (a)
    Согласно закону Ленца индуцированный ток течет в направлении, противоположном изменению, вызвавшему ток.
    В месте (1) кольцо входит в поле, и индуцированный ток должен противодействовать входу в поле, создавая индуцированное магнитное поле. Таким образом, индуцированный ток находится в направлении
    по часовой стрелке.
    В точке (2) кольцо находится в однородном магнитном поле. Таким образом, индуцированный ток равен нулю.
    В месте (3) кольцо покидает поле, и индуцированный ток должен препятствовать выходу из поля, создавая индуцированное магнитное поле.Таким образом, индуцированный ток имеет направление
    против часовой стрелки.
    (b) Таким образом, в точке (1) индуцированный ток направлен по часовой стрелке, в точке (2) он равен нулю, а в точке (3) он направлен против часовой стрелки.
    Следовательно, лучшее объяснение — (I).

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.21P

    Решение:
    (a) Согласно закону Ленца, индуцированный ток течет в направлении, противоположном изменению, вызвавшему ток.
    В месте (1) кольцо входит в поле, и индуцированный ток должен противодействовать входу в поле, создавая индуцированное магнитное поле. Наведенное магнитное поле противодействует кольцу, поэтому оно направлено вверх.
    В точке (2) кольцо находится в однородном магнитном поле. Так что сила равна нулю.
    В месте (3) кольцо покидает поле, и индуцированный ток должен препятствовать выходу из поля, создавая индуцированное магнитное поле. Таким образом, наведенное магнитное поле препятствует кольцу уйти от поля.Итак, в восходящем направлении.
    (b) Таким образом, в точке (1) сила направлена ​​вверх, в точке (2) она равна нулю, а в точке (3) она направлена ​​вверх.
    Следовательно, лучшим объяснением является (III)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.22P

    (a) Является ли замедляющее действие вихревых токов на твердый диск больше, меньше или равно тормозящий эффект на щелевом диске?
    (b) Выберите лучшее объяснение из следующих:
    I.Сплошной диск испытывает большую тормозящую силу, так как вихревые токи в нем протекают свободно и не прерываются щелями.
    II. Диск с прорезями испытывает большую тормозящую силу, потому что прорези позволяют большему количеству магнитного поля проникать в диск.
    III. Диски имеют одинаковый размер и изготовлены из одного и того же материала, следовательно, они испытывают одинаковую тормозящую силу.
    Решение:
    (a) Замедляющий эффект больше всего проявляется на сплошном диске. Поскольку отверстия в диске с прорезями прерывают поток вихревых токов, а именно вихревые токи создают противоположное магнитное поле, ответственное за эффект торможения.
    (b) Замедляющий эффект больше всего на твердом диске. Таким образом, твердый диск испытывает большую тормозящую силу.
    Таким образом, лучшее объяснение (I)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.23P

    Решение:
    Когда диск поворачивается вправо до упора, он все еще находится в постоянное магнитное поле. Поэтому изменение магнитного поля во время его качания равно нулю. Таким образом, индуцированный ток в диске минимален (нулевой).

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.24P

    Решение:
    (a) Согласно закону Ленца, индуцированный ток течет в направлении, противоположном изменению, вызвавшему ток.
    Когда твердый диск качается справа налево, где магнитное поле находится на странице. Таким образом, индуцированный ток должен создавать индуцированное магнитное поле, противоположное полю, то есть поле должно быть направлено за пределы страницы. Следовательно, индуцированный ток направлен против часовой стрелки.
    (b) Индуцированный ток должен быть направлен против часовой стрелки, чтобы противодействовать полю, указывая за пределы страницы.
    Лучшее объяснение (II)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.25P
    Стержневой магнит с направленным вниз северным полюсом падает к центру горизонтального проводящего кольца. Если смотреть сверху, направление индуцированного тока в кольце по часовой стрелке или против часовой стрелки? Объяснять.
    Решение:
    Согласно закону Ленца полярность ЭДС индукции такова, что она противодействует изменению магнитного потока, являющемуся причиной ее возникновения.
    Когда северный полюс стержневого магнита движется вниз, величина магнитного потока, связанного с кольцом, увеличивается. Таким образом, ток индуцируется в таком направлении, что он препятствует увеличению потока. Это произойдет, когда ток направлен против часовой стрелки. Следовательно, направление индуцированного тока находится в направлении против часовой стрелки.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.26P

    Решение:

    а) Когда петля находится над магнитом, магнитное поле увеличивается и направлено
    за пределы страницы.Согласно закону Ленца ток в петле будет противодействовать
    Увеличивающемуся полю, протекая по часовой стрелке
    б) Когда петля находится под магнитом, магнитное поле уменьшается и направлено за пределы страницы. Согласно закону Ленца, ток противодействует уменьшающемуся магнитному полю, протекая против часовой стрелки

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.27P

    Решение:
    а) Полюса поля контура совпадают с магнитом, вызывающим силу отталкивания, сопротивляющуюся петле, которая движется вниз к магниту.Таким образом, натяжение нити меньше веса петель.
    б) Полюса поля петли выровнены с магнитом, вызывающим силу притяжения, препятствующую движению петли вниз от магнита. Таким образом, натяжение нити снова меньше веса петли.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.28P

    Решение:
    а) Полюса поля контура совпадают с магнитом, вызывающим отталкивание и сопротивление магниту. Таким образом, натяжение нити больше, чем вес петель.
    b) Полюса поля петли выровнены с магнитом, вызывая притяжение и сопротивляясь движению петли вверх от магнита. Таким образом, натяжение снова больше, чем вес петель.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.29P

    Решение:
    а) Поскольку ток в проводе постоянный, магнитное поле не меняется со временем, поэтому индуцированный ток равен нулю
    б) Поскольку ток в проводе увеличивается, магнитное поле в цепи увеличивается.Поскольку магнитное поле направлено за пределы страницы, индуцированная цепь наводит магнитное поле на страницу. Таким образом, ток течет по часовой стрелке. страница. Согласно закону Ленца, ток, индуцированный в цепи, будет противодействовать этому изменению, протекая против часовой стрелки, создавая поле, направленное за пределы страницы.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.1CQ
    Объясните разницу между магнитным полем и магнитным потоком.
    Решение:
    Магнитное поле:
    Это величина магнитной силы, испытываемой заряженной частицей, движущейся со скоростью
    заданной точки пространства
    Магнитный поток:
    Это мера величины магнитного поля, заданная площадь любой катушки

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.1P
    Магнитное поле с напряженностью 0,055 Тл проходит через круглое кольцо радиусом 3,1 см под углом 16° к нормали. Найдите величину магнитного потока через кольцо.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.2CQ
    (Ответы на концептуальные вопросы с нечетными номерами можно найти в конце книги)
    Металлическое кольцо с надломом периметр падает из свободной от поля области пространства в область с магнитным полем Какое влияние магнитное поле оказывает на кольцо?
    Решение:
    ЭДС индукции возникает в проводнике, если он движется в магнитном поле и, следовательно, по проводнику протекает некоторый ток. В случае разорванного кольца магнитное поле действительно
    индуцирует ЭДС между концами разорванного кольца, но течение тока по окружности будет затруднено из-за разрыва кольца.

    Глава 23

    Глава 23 Глава Магнитный поток и законодательство о индукции Фарадея Q.2P









    Глава 23 Глава Магнитный поток и фарадовый закон индукции Q.3CQ
    в общей демонстрации классной комнаты, магнит выпадает долго. вертикальная медная трубка. Магнит движется очень медленно по трубке, и ему требуется несколько секунд, чтобы достичь дна. Объясните это поведение
    Решение:
    Вихревой ток в медной трубке создает магнитное поле, противоположное направлению падения.Из-за этого отторжения. магнит медленно падает, и ему требуется много времени, чтобы достичь дна.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.3P
    Магнитное поле направлено под углом 47° к нормали прямоугольного участка размером 5,1 см на 6,8 см. Если магнитный поток через эту поверхность имеет величину 4,8 × 10–5 Тл·м2, то какова напряженность магнитного поля?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.4CQ
    Многие весы с равными плечами имеют небольшую металлическую пластину, прикрепленную к одному из двух рычагов. Пластина проходит между полюсами магнита, установленного в основании весов. Объясните цель этой схемы.
    Решение:
    Электрический ток индуцируется в куске металла из-за относительного движения соседнего магнита, известного как вихревой ток
    Металлическая пластина, движущаяся между полюсами магнита, испытывает вихревые токи, которые замедляют его движение. Это помогает гасить колебания весов, что приводит к более точным показаниям.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.4P
    Найдите величину магнитного потока через пол дома размером 22 м на 18 м. Предположим, что магнитное поле Земли в месте расположения дома имеет горизонтальную составляющую 2,6 × 10–5 Тл, направленную на север, и нисходящую вертикальную составляющую 4,2 × 10–5 Тл. Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.5CQ


    Решение:
    Когда выключатель замкнут, ток в проволочной катушке создает магнитное поле в железном стержне.Это увеличивает магнитный поток через металлическое кольцо и соответствующую ЭДС индукции.
    Ток, создаваемый ЭДС индукции. создает магнитное поле, противоположное по направлению полю в стержне, в результате чего кольцо взлетает в воздух.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.5P
    Магнитное поле, создаваемое соленоидом МРТ длиной 2,5 м и диаметром 1,2 м, составляет 1,7 Тл. Найдите величину магнитного потока через сердечник этого соленоида. .
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.6CQ

    Решение:
    Разрыв предотвращает циркуляцию тока по кольцу. Это, в свою очередь, предотвратит воздействие на кольцо силы, которая подбросит его в воздух.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.6P
    В определенном месте магнитное поле Земли имеет величину 5,9 × 10−5 Тл и направлено в направлении на 72° ниже горизонтали.Найдите величину магнитного потока через верхнюю часть стола в этом месте размером 130 см на 82 см.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.7CQ

    Решение:
    Стержень первоначально движется влево из-за нисходящего тока. По мере его движения создаваемая им ЭДС движения начинает противодействовать ЭДС батареи. Когда обе ЭДС уравновешены, ток в стержне перестает течь, с этого момента он движется с постоянной скоростью.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.7P
    Соленоид с 385 витками на метр и диаметром 17,0 см имеет магнитный поток через его сердечник величиной 1,28 × 10−4 Тл · м2. (а) Найдите силу тока в этом соленоиде, (б) Как изменился бы ваш ответ на вопрос (а), если бы диаметр соленоида увеличился вдвое? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.8CQ
    Пенни лежит на ребре в мощном магнитном поле соленоида MR1.Если монету опрокинуть, потребуется несколько секунд, чтобы она приземлилась на одну из граней. Объяснять.
    Решение:
    Когда пенни начинает падать; происходит большое изменение магнитного потока из-за магнитного поля соленоида.
    Это изменение потока вызывает индуцированный ток в монете, который препятствует ее падению. Таким образом, требуется больше секунд, чтобы приземлиться.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.8P
    Одновитковый квадратный контур со стороной L центрирован на оси длинного соленоида.Кроме того, плоскость квадратного контура перпендикулярна оси соленоида. Соленоид имеет 1250 витков на метр, диаметр 6,00 см и пропускает ток 2,50 А. Найдите магнитный поток через контур, когда (а) L = 3,00 см, (б) L = 6,00 см и (в) Д = 12,0 см.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.9CQ
    Недавно НАСА провело испытания системы выработки электроэнергии, в которой небольшой спутник подключается к космическому шаттлу с помощью проводника длиной в несколько миль.Объясните, как такая система может генерировать электроэнергию.
    Решение:
    Поскольку э.д.с. определяется как произведение длины провода, скорости челнока и перпендикулярной составляющей магнитного поля.
    Длинный токопроводящий провод, соединенный с челноком, движется через поле и может генерировать ЭДС индукции.
    При больших значениях скорости и длины ЭДС индукции достаточно велика, чтобы обеспечить электрическую мощность.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.9P
    Магнитное поле силой 0,45 Тл направлено перпендикулярно круглой проволочной петле с 53 витками и радиусом 15 см. Какова величина ЭДС индукции, если магнитное поле уменьшится до нуля за 0,12 с?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.10CQ
    Объясните, что происходит, когда угловая скорость катушки в электрическом генераторе увеличивается.
    Решение:
    При увеличении угловой скорости катушки в электрогенераторе; величина ЭДС индукции увеличивается, поскольку ЭДС индукции прямо пропорциональна угловой скорости.

    Глава 23

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.10P








    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадая Q.11CQ
    Индуктор в цепи RL определяет, как долго требуется, чтобы ток достиг заданного значения, но это не влияет на конечное значение тока. Объяснять.
    Решение:
    Когда ток в цепи RL достигает заданного значения, он перестает изменяться; обратная ЭДС в индукторе исчезает.
    Таким образом, конечный ток в цепи определяется резистором и ЭДС. аккумулятора.
    Катушка индуктивности ведет себя как идеальный провод с нулевым сопротивлением, когда ток достигает заданного значения.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.11P

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.12CQ

    размыкается, искра обычно проскакивает через контакты выключателя.Почему?
    Решение:
    Катушка индуктивности сопротивляется любому изменению тока, будь то увеличение или уменьшение.
    Когда переключатель в цепи, содержащей индуктор, размыкается, индуктор пытается поддерживать первоначальный ток, поэтому продолжающийся ток вызывает искру, проскакивающую через промежуток.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.12P

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.13P

    Решение:
    Учитывая это, рисунок в данном вопросе показывает четыре различных ситуации, в которых металлическое кольцо движется вправо с постоянной скоростью через область с переменным магнитным полем. Интенсивность цвета указывает интенсивность поля, и в каждом случае поле либо увеличивается, либо уменьшается с одинаковой скоростью от левого края окрашенной области к правому краю.
    Для рисунка (1):–
    Магнитное поле исходит из страницы.Когда кольцо перемещается и покидает магнитное поле, исходящее от страницы, оно создает ЭДС, которая пытается объяснить это изменение. Следовательно, ЭДС индукции будет направлена ​​против часовой стрелки или против часовой стрелки, чтобы создать магнитное поле из страницы через кольцо.
    Для рисунка (2):–

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.14P

    Решение:

    9008x Глава 23 Закон магнитной индукции.15P

    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.16P
    Одиночная проводящая петля имеет площадь 7,2 м2 х 10 Ом и сопротивление 10 Ом . Перпендикулярно плоскости петли находится магнитное поле с напряженностью 0,48 Тл. С какой скоростью (в Тл/с) должно изменяться это поле, чтобы индукционный ток в петле был равен 0,32 А?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.17P
    Площадь 120-витковой катушки, ориентированной плоскостью, перпендикулярной магнитному полю 0,20 Тл, составляет 0,050 м2. Найти среднюю ЭДС индукции в этой катушке, если магнитное поле меняет направление на противоположное за 0,34 с.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.18P
    ЭДС индуцируется в токопроводящей петле из проволоки длиной 1,22 м, когда ее форма изменяется с квадратной на круглую. Найти среднюю величину ЭДС индукции, если изменение формы происходит за 4.25 с, а локальное магнитное поле напряженностью 0,125 Тл перпендикулярно плоскости петли.
    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.19P
    Магнитное поле увеличивается с 0 до 0,25 Тл за 1,8 с. Сколько витков проволоки нужно в круглой катушке диаметром 12 см, чтобы создать ЭДС индукции 6,0 В?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.20P

    Решение:
    (a)
    Согласно закону Ленца индуцированный ток течет в направлении, противоположном изменению, вызвавшему ток.
    В месте (1) кольцо входит в поле, и индуцированный ток должен противодействовать входу в поле, создавая индуцированное магнитное поле. Таким образом, индуцированный ток находится в направлении
    по часовой стрелке.
    В точке (2) кольцо находится в однородном магнитном поле. Таким образом, индуцированный ток равен нулю.
    В месте (3) кольцо покидает поле, и индуцированный ток должен препятствовать выходу из поля, создавая индуцированное магнитное поле.Таким образом, индуцированный ток имеет направление
    против часовой стрелки.
    (b) Таким образом, в точке (1) индуцированный ток направлен по часовой стрелке, в точке (2) он равен нулю, а в точке (3) он направлен против часовой стрелки.
    Следовательно, лучшее объяснение — (I).

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.21P

    Решение:
    (a) Согласно закону Ленца, индуцированный ток течет в направлении, противоположном изменению, вызвавшему ток.
    В месте (1) кольцо входит в поле, и индуцированный ток должен противодействовать входу в поле, создавая индуцированное магнитное поле. Наведенное магнитное поле противодействует кольцу, поэтому оно направлено вверх.
    В точке (2) кольцо находится в однородном магнитном поле. Так что сила равна нулю.
    В месте (3) кольцо покидает поле, и индуцированный ток должен препятствовать выходу из поля, создавая индуцированное магнитное поле. Таким образом, наведенное магнитное поле препятствует кольцу уйти от поля.Итак, в восходящем направлении.
    (b) Таким образом, в точке (1) сила направлена ​​вверх, в точке (2) она равна нулю, а в точке (3) она направлена ​​вверх.
    Следовательно, лучшим объяснением является (III)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.22P

    (a) Является ли замедляющее действие вихревых токов на твердый диск больше, меньше или равно тормозящий эффект на щелевом диске?
    (b) Выберите лучшее объяснение из следующих:
    I.Сплошной диск испытывает большую тормозящую силу, так как вихревые токи в нем протекают свободно и не прерываются щелями.
    II. Диск с прорезями испытывает большую тормозящую силу, потому что прорези позволяют большему количеству магнитного поля проникать в диск.
    III. Диски имеют одинаковый размер и изготовлены из одного и того же материала, следовательно, они испытывают одинаковую тормозящую силу.
    Решение:
    (a) Замедляющий эффект больше всего проявляется на сплошном диске. Поскольку отверстия в диске с прорезями прерывают поток вихревых токов, а именно вихревые токи создают противоположное магнитное поле, ответственное за эффект торможения.
    (b) Замедляющий эффект больше всего на твердом диске. Таким образом, твердый диск испытывает большую тормозящую силу.
    Таким образом, лучшее объяснение (I)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.23P

    Решение:
    Когда диск поворачивается вправо до упора, он все еще находится в постоянное магнитное поле. Поэтому изменение магнитного поля во время его качания равно нулю. Таким образом, индуцированный ток в диске минимален (нулевой).

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.24P

    Решение:
    (a) Согласно закону Ленца, индуцированный ток течет в направлении, противоположном изменению, вызвавшему ток.
    Когда твердый диск качается справа налево, где магнитное поле находится на странице. Таким образом, индуцированный ток должен создавать индуцированное магнитное поле, противоположное полю, то есть поле должно быть направлено за пределы страницы. Следовательно, индуцированный ток направлен против часовой стрелки.
    (b) Индуцированный ток должен быть направлен против часовой стрелки, чтобы противодействовать полю, указывая за пределы страницы.
    Лучшее объяснение (II)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.25P
    Стержневой магнит с направленным вниз северным полюсом падает к центру горизонтального проводящего кольца. Если смотреть сверху, направление индуцированного тока в кольце по часовой стрелке или против часовой стрелки? Объяснять.
    Решение:
    Согласно закону Ленца полярность ЭДС индукции такова, что она противодействует изменению магнитного потока, являющемуся причиной ее возникновения.
    Когда северный полюс стержневого магнита движется вниз, величина магнитного потока, связанного с кольцом, увеличивается. Таким образом, ток индуцируется в таком направлении, что он препятствует увеличению потока. Это произойдет, когда ток направлен против часовой стрелки. Следовательно, направление индуцированного тока находится в направлении против часовой стрелки.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.26P

    Решение:

    а) Когда петля находится над магнитом, магнитное поле увеличивается и направлено
    за пределы страницы.Согласно закону Ленца ток в петле будет противодействовать
    Увеличивающемуся полю, протекая по часовой стрелке
    б) Когда петля находится под магнитом, магнитное поле уменьшается и направлено за пределы страницы. Согласно закону Ленца, ток противодействует уменьшающемуся магнитному полю, протекая против часовой стрелки

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.27P

    Решение:
    а) Полюса поля контура совпадают с магнитом, вызывающим силу отталкивания, сопротивляющуюся петле, которая движется вниз к магниту.Таким образом, натяжение нити меньше веса петель.
    б) Полюса поля петли выровнены с магнитом, вызывающим силу притяжения, препятствующую движению петли вниз от магнита. Таким образом, натяжение нити снова меньше веса петли.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.28P

    Решение:
    а) Полюса поля контура совпадают с магнитом, вызывающим отталкивание и сопротивление магниту. Таким образом, натяжение нити больше, чем вес петель.
    b) Полюса поля петли выровнены с магнитом, вызывая притяжение и сопротивляясь движению петли вверх от магнита. Таким образом, натяжение снова больше, чем вес петель.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.29P

    Решение:
    а) Поскольку ток в проводе постоянный, магнитное поле не меняется со временем, поэтому индуцированный ток равен нулю
    б) Поскольку ток в проводе увеличивается, магнитное поле в цепи увеличивается.Поскольку магнитное поле направлено за пределы страницы, индуцированная цепь наводит магнитное поле на страницу. Таким образом, ток течет по часовой стрелке. страница. Согласно закону Ленца, ток, индуцированный в цепи, будет противодействовать этому изменению, протекая против часовой стрелки, создавая поле, направленное за пределы страницы.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.31P
    Длинный прямой провод с током проходит через центр круглой катушки. Провод перпендикулярен плоскости катушки, а) Если ток в проводе постоянный, равна ли ЭДС индукции в катушке нулю или отличной от нуля? Объясните, (b) Если ток в проводе увеличивается, ЭДС индукции в катушке равна нулю или отлична от нуля? Объясните, (c) Изменится ли ваш ответ на пункт (b), если проволока больше не проходит через центр катушки, но по-прежнему перпендикулярна ее плоскости? Объяснять.
    Решение:
    а) Магнитное поле параллельно плоскости контура, поэтому ЭДС индукции равна нулю
    б) Хотя ток увеличивается, магнитное поле по-прежнему параллельно плоскости контура, поэтому ЭДС индукции равна ноль
    в)
    Так как магнитное поле по-прежнему параллельно плоскости петли. Таким образом, часть ответа (b) не меняется Q.32P


    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.33P

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.34P

    Решение:
    Направление магнитного поля вокруг несущего проводника определяется силой магнитного поля. -поле правило правой руки Согласно правилу правой руки, направьте большой палец правой руки в направлении тока и обмотайте кольца кольцами вокруг провода. Направление звонков показывает направление магнитного поля

    Как показано на рисунке выше, магнитное поле из-за токоведущего проводника в кольце А выходит за пределы страницы и увеличивается.Согласно закону Фарадея, это возрастающее магнитное поле создает ЭДС индукции в кольце A.
    Согласно закону Ленца, направление магнитного поля, создаваемого ЭДС индукции, должно быть противоположно первоначальному магнитному полю. Таким образом, это магнитное поле из-за ЭДС индукции должно находиться внутри страницы.
    Согласно правилу правой руки, чтобы создать магнитное поле, направленное на страницу, индуктируемый ток должен быть направлен по часовой стрелке.
    Магнитное поле в верхней половине кольца B направлено из страницы, а нижняя половина кольца направлена ​​внутрь страницы.Следовательно, чистое магнитное поле равно нулю. Значит, ЭДС индукции в этом контуре равна нулю.
    Как показано на рисунке выше, магнитное поле из-за проводника с током в кольце B направлено внутрь страницы и увеличивается. Согласно закону Фарадея, это возрастающее магнитное поле создает ЭДС индукции в кольце B. Согласно закону Ленца, направление магнитного поля, создаваемого ЭДС индукции, должно быть противоположно первоначальному магнитному полю. Таким образом, это магнитное поле из-за ЭДС индукции должно быть за пределами страницы.
    Согласно правилу правой руки, чтобы создать магнитное поле, направленное наружу страницы, индуцированный ток должен быть направлен против часовой стрелки.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.35P
    Проводящий стержень скользит по двум проводам в области с магнитным полем. Два провода дуги не соединены. Требуется ли сила, чтобы стержень двигался с постоянной скоростью? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.36P
    Металлический стержень длиной 0,76 м движется со скоростью 2,0 м/с перпендикулярно магнитному полю. Чему равна напряженность магнитного поля, если ЭДС индукции между концами стержня равна 0,45 В?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.37P
    Самолет Boeing KC-135A имеет размах крыла 39,9 м и летит на постоянной высоте в северном направлении со скоростью 850 км /час. Если вертикальная составляющая магнитного поля Земли равна 5.0 × 10–6 Тл, а его горизонтальная составляющая 1,4 × 10–6 Тл, чему равна ЭДС индукции между законцовками крыла?
    Решение:



    Глава 23 Глава Магнитный поток и фарадовый закон индукции Q.38P





    Глава 23 Глава 23 Глава Магнитный поток и закон Фастаада в Индукции Q.39P

    Решение :

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.40P
    (a) Найдите силу тока в цепи, показанной в примере.б) Какую скорость должен иметь стержень, если сила тока в цепи должна быть 1,0 А?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.41P
    Предположим, что механическая мощность, подводимая к стержню в примере, равна 8,9 Вт. Найдите (a) ток в цепи и (b) ) скорость стержня.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.42P
    Максимальная ЭДС индукции в генераторе, вращающемся со скоростью 210 об/мин, составляет 45 В.Поток быстрый Должен ли вращаться ротор генератора, чтобы он генерировал максимальную ЭДС индукции 55 В?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.43P
    Прямоугольная катушка 25 см на 35 см имеет 120 витков. Эта катушка создает максимальную ЭДС 65 В, когда она вращается с угловой скоростью 190 рад/с в магнитном поле с напряженностью B. Найдите значение B.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон Фарадея Закон индукции Q.44P
    Провод длиной 1,6 м намотан в бухту радиусом 3,2 см. Если эту катушку вращать со скоростью 85 об/мин в магнитном поле 0,075 Тл, какова ее максимальная ЭДС?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.45P
    Круглая катушка диаметром 22,0 см и 155 витками вращается вокруг вертикальной оси с угловой скоростью 1250 об/мин. Единственным магнитным полем в этой системе является поле Земли. В месте расположения катушки горизонтальная составляющая магнитного поля равна 3.80·10-5 Тл, а вертикальная составляющая 2,85·10-5 Тл. а) Какая составляющая магнитного поля важна при расчете ЭДС индукции в этой катушке? Объясните, б) Найдите максимальную ЭДС индукции в катушке.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.46P
    Генератор рассчитан на создание максимальной ЭДС 170 В при вращении с угловой скоростью 3600 об/мин. Каждая катушка генератора имеет площадь 0,016 м2.Если магнитное поле, используемое в генераторе, имеет величину 0,050 Тл, сколько потребуется витков провода?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.47P
    Найдите ЭДС индукции, когда ток в катушке индуктивности 45,0 мГн увеличивается от 0 до 515 мА за 16,5 мс.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.48P
    Сколько витков должен иметь соленоид с площадью поперечного сечения 0.035 м2 и длиной 0,22 м, если его индуктивность должна быть 45 мГн?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.49P
    Индуктивность соленоида с 450 витками и длиной 24 см составляет 7,3 мГн. а) Чему равна площадь поперечного сечения соленоида? б) Чему равна ЭДС индукции в соленоиде, если ток в нем падает с 3,2 А до 0 за 55 мс?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.50P
    Определить индуктивность соленоида с 640 витками длиной 25 см. Круглое сечение соленоида имеет радиус 4,3 см.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.51P
    Соленоид с площадью поперечного сечения 1,81 × 10−3 м2 имеет длину 0,750 м и имеет 455 витков на метр. Найти ЭДС индукции в этом соленоиде, если ток в нем увеличился от 0 до 2,00 А за 45,5 мс.
    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.52P
    Соленоид имеет N витков площадью A, равномерно распределенных по его длине, ℓ. При увеличении тока в этом соленоиде со скоростью 2,0 А/с наблюдается ЭДС индукции 75 мВ, а) Чему равна индуктивность этого соленоида? (b) Предположим, что расстояние между витками удвоилось. В результате получается соленоид вдвое длиннее, но с той же площадью и числом витков. Будет ли ЭДС индукции в этом новом соленоиде больше, меньше или равна 75 мВ при изменении тока со скоростью 2.0 п/с? Объясните, (c) Рассчитайте ЭДС индукции для детали (b).
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.53P
    Сколько времени требуется, чтобы ток в цепи RL с R = 130 Ом и L = 68 мГн достиг половины конечная стоимость?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.54P

    Решение:

    x Глава 2308.55P

    Решение:




    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.56P
    Ток в цепи RL увеличивается до RL замкнут, а) Чему равна постоянная времени этой цепи? б) Чему равно сопротивление, если индуктивность в цепи равна 0,275 Гн?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.58P
    Количество витков на метр в соленоиде фиксированной длины удваивается. При этом ток в соленоиде уменьшается вдвое. Энергия, запасенная в катушке индуктивности, увеличивается, уменьшается или остается неизменной? Объяснять. Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.59P60P

    Соленоид имеет длину 1,5 м и 470 витков на метр. Какова площадь поперечного сечения этого соленоида, если он запасает 0,31 Дж энергии при токе 12 А?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.61P
    В эксперименте по синтезу Alcator в Массачусетском технологическом институте создается магнитное поле силой 50,0 Тл. (a) Какова плотность магнитной энергии в это поле? (b) Найдите величину электрического поля, которая имела бы ту же плотность энергии, что и в части (a).
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.62P

    Решение:


    квадрат эквивалентного сопротивления. Таким образом, значение R должно быть меньше, чтобы аккумулировать больше энергии в катушке индуктивности.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.63P

    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.64P
    Рассмотрим схему, показанную на рисунке, которая содержит батарею на 6,0 В, катушку индуктивности 37 мГн и четыре резистора 55 Ом. переключатель замкнут? Объясните, (б) Рассчитайте энергию, запасенную в катушке индуктивности за один характерный интервал времени после замыкания ключа, (в) Рассчитайте энергию, запасенную в катушке индуктивности спустя долгое время после замыкания выключателя.

    Решение:





    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.65P
    Вы хотите накопить 9,9 Дж энергии в магнитном поле соленоида. Соленоид имеет 580 круговых витков диаметром 7,2 см, равномерно распределенных по его длине 28 см. (а) Какой ток необходим? б) Какова величина магнитного поля внутри соленоида? в) Какова плотность энергии (энергия/объем) внутри соленоида?
    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.66P
    Трансформатор 1 имеет первичное напряжение Vp и вторичное напряжение Vs.Трансформатор 2 имеет в два раза больше витков как на первичной, так и на вторичной обмотках по сравнению с трансформатором 1. Если первичное напряжение трансформатора 2 равно 2 Впик, каково его вторичное напряжение? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.67P
    Трансформатор 1 имеет первичный ток Ip и вторичный ток Is. Трансформатор 2 имеет в два раза больше витков на первичной обмотке, чем трансформатор 1, и оба трансформатора имеют одинаковое количество витков на вторичной обмотке.Если первичный ток трансформатора 2 равен 3Ip, каков его вторичный ток? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.68P
    Электродвигателю игрушечного поезда требуется напряжение 3,0 В. Найдите отношение числа витков первичной обмотки к числу включений. вторичная катушка в трансформаторе, который понизит бытовое напряжение 110 В до 3,0 В.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.69P
    Дисковод, подключенный к розетке 120 В, работает при напряжении 9,0 В. Трансформатор, питающий дисковод, имеет 125 витков на первичной обмотке, (а) Должно ли число витков на вторичной обмотке быть больше больше или меньше 125? Объясните, (b) Найдите количество витков на вторичной обмотке.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.70P
    Трансформатор с соотношением витков (вторичная/первичная) 1:18 используется для понижения напряжения от 120-В настенная розетка для использования в блоке подзарядки аккумулятора.Какое напряжение подается на зарядное устройство?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.71P
    Неоновая вывеска, для которой требуется напряжение 11 000 В, подключена к розетке на 120 В. Какое отношение витков (вторичное/первичное) должно быть у трансформатора для питания вывески?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.72P
    Понижающий трансформатор производит напряжение 6.0 В на вторичной обмотке при напряжении на первичной обмотке 120 В. Какое напряжение появится на первичной обмотке этого трансформатора, если на вторичную обмотку подать 120 В?
    Повышающий трансформатор имеет 25 витков на первичной обмотке и 750 витков на вторичной обмотке. Если этот трансформатор должен обеспечивать выходное напряжение 4800 В при токе 12 мА, какие входные ток и напряжение необходимы?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.74GP
    Самолет летит на уровне земли к северному полюсу, (а) ЭДС индукции от законцовки крыла к законцовке крыла, когда самолет находится на экваторе, больше, меньше или равна законцовке крыла -ЭДС кончиков крыльев, когда она находится на широте Нью-Йорка? б) Выберите наилучшее объяснение из следующих:
    I. ЭДС индукции одинакова, потому что напряженность магнитного поля Земли одинакова на экваторе и в Нью-Йорке.
    II. ЭДС индукции больше в Нью-Йорке, потому что вертикальная составляющая магнитного поля Земли там больше, чем на экваторе.
    III. ЭДС индукции меньше в Нью-Йорке, потому что на экваторе самолет летит параллельно силовым линиям магнитного поля.
    Решение:
    (a) На экваторе плоскость движется в направлении магнитного поля, поэтому ЭДС индукции мала.
    Когда самолет летит, он движется перпендикулярно полю, поскольку он находится на широте, поэтому ЭДС индукции высока.
    (Поскольку скорость изменения магнитного потока для крыльев воздушного самолета является произведением нисходящей составляющей магнитного поля, размаха крыльев и скорости самолета.)
    (b) На широте вертикальная составляющая магнитного поля Земли велика, а на экваторе мала, поэтому ЭДС индукции высока на широте .
    Следовательно, лучшее объяснение .(II)

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.75GP
    Вы держите круглую проволочную петлю на северном магнитном полюсе Земли. Рассмотрим магнитный поток через эту петлю из-за магнитного поля Земли. Является ли поток, когда нормаль к петле направлена ​​горизонтально, больше, меньше или равен потоку, когда нормаль направлена ​​вертикально вниз? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.76GP
    Вы держите круглую проволочную петлю на экваторе. Рассмотрим магнитный поток через эту петлю из-за магнитного поля Земли. Является ли поток, когда нормаль к петле направлена ​​на север, больше, меньше или равен потоку, когда нормаль направлена ​​вертикально вверх? Объяснять.
    Решение:
    Поток через петлю наибольший, когда нормаль к петле указывает направление поля.
    Мы знаем, что на экваторе поле указывает на север. Когда нормаль к петле указывает на север, направление магнитного поля и нормаль параллельны. Так что поток максимален. Но когда нормаль к петле направлена ​​вертикально вверх, то направление магнитного поля и нормаль перпендикулярны. Тогда магнитный поток становится равным нулю. Таким образом, поток, когда нормаль указывает на север, больше, чем когда нормаль указывает вертикально вверх.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.77ГП
    Катушка индуктивности, показанная на рисунке, включена в электрическую цепь с переменным током. В рассматриваемый момент индуктор имеет индукционную ЭДС с указанным направлением. Ток в цепи в это время увеличивается и вправо, увеличивается и влево, уменьшается и вправо или уменьшается и влево?

    Решение:

    Когда в индукторе действует ЭДС указанного направления, то ток в индукторе увеличивается в направлении, противоположном увеличению тока в цепи.Следовательно. ток в цепи может увеличиваться вправо или уменьшаться влево, потому что ток в катушке индуктивности направлен влево, т.е. он покидает положительный полюс

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.78GP
    Космический корабль «Вояджер-1» движется в межзвездном пространстве со скоростью 8,0 × 103 м/с. Магнитное поле в этой области пространства имеет величину 2,0·10-10 Тл. Считая, что антенна длиной 5,0 м на космическом корабле расположена под прямым углом к ​​магнитному полю, найти ЭДС индукции между ее концами.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.79GP
    Катушки, используемые для измерения движения мясной мухи, как описано в разделе 23-5, имеют диаметр 2,0 мм. Кроме того, муха погружается в магнитное поле величиной 0,15 мТл. Найдите максимальный магнитный поток, создаваемый одной из этих катушек.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.80GP
    Компьютеризированное отслеживание челюсти, или электрогнатография (ЭГН), является важным инструментом диагностики и лечения височно-нижнечелюстных нарушений (ВНЧС), которые влияют на способность человека эффективно кусать. Первым шагом в применении ЭГН является прикрепление небольшого постоянного магнита к десне пациента ниже нижних резцов. Затем, когда челюсть совершает кусающие движения, результирующее изменение магнитного потока улавливается проволочными катушками, расположенными по обеим сторонам рта, как показано на рисунке. Предположим, что челюсть этого человека движется вправо и что северный полюс постоянного магнита также указывает вправо.С ее точки зрения, направлен ли индуцированный ток в катушке (а) справа от нее и (б) слева от нее по часовой стрелке или против часовой стрелки? Объяснять.

    Решение:
    Учитывая, что компьютеризированное отслеживание челюсти или электрогнатограф (ЭГН) является важным инструментом для диагностики и лечения височно-нижнечелюстных нарушений (ВНЧС), которые влияют на способность человека эффективно кусать.
    Первым шагом в применении EGN является прикрепление небольшого постоянного магнита к десне пациента под нижними резцами. Затем, когда челюсть совершает кусающие движения, возникающее в результате изменение магнитного потока улавливается проволочными катушками, расположенными по обеим сторонам рта, как показано на рисунке, приведенном в вопросе.
    Предположим, что челюсть этого человека движется вправо и что северный полюс постоянного магнита также указывает вправо.
    (a)
    Здесь силовые линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, происходит изменение магнитного потока, в частности, и увеличивается вправо. Это изменение за счет уменьшения магнитного потока слева от нее и увеличения справа от нее будет учитываться катушками. Таким образом, с ее точки зрения, ток в катушке справа от нее будет вращаться против часовой стрелки, образуя магнитное поле, противодействующее полю, создаваемому магнитом в ее зубах
    (б)
    Слева от нее ток в катушка повернется против часовой стрелки, образуя магнитное поле, что объясняет увеличение магнитного потока на ее левой стороне.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.81GP
    Прямоугольная проволочная петля 24 см на 72 см изогнута в форме буквы L, как показано на рисунке. Магнитное поле вблизи петли имеет величину 0,035 T и в направлении на 25° ниже оси y. Магнитное поле не имеет x-компоненты. Найдите величину магнитного потока через петлю.

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.82GP
    Круговая петля радиусом 3,7 см лежит в плоскости x-y. Магнитное поле в этой области пространства однородно и определяется выражением (а) Какова величина магнитного потока через эту петлю? (b) Предположим, теперь мы увеличили компонент x, оставив другие компоненты неизменными. Величина магнитного потока увеличивается, уменьшается или остается неизменной? Объясните, (c) Предположим вместо этого, что мы увеличиваем компонент z , оставляя другие компоненты неизменными. Величина магнитного потока увеличивается, уменьшается или остается неизменной? Объяснять.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.83GP
    Рассмотрим прямоугольную петлю из проволоки 5,8 см на 8,2 см в однородном магнитном поле с величиной 1,3 Тл. положения нулевого магнитного потока в положение максимального потока за 21 мс. Чему равна средняя ЭДС индукции в контуре?
    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.84GP
    Автомобиль с вертикальной радиоантенной длиной 85 см едет строго на восток со скоростью 25 м/с. Магнитное поле Земли в этом месте имеет величину 5,9 × 10–5 Тл и направлено на север, на 72° ниже горизонтали, (а) Ts — верхняя или нижняя часть антенны при более высоком потенциале? Объясните, б) Найдите ЭДС индукции между концами антенны.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.85GP
    Прямоугольные катушки в генераторе с 325 витками имеют размеры 11 см на 17 см.Какова максимальная ЭДС, создаваемая этим генератором при его вращении с угловой скоростью 525 об/мин в магнитном поле 0,45 Тл?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.86GP
    Кубический ящик со стороной 22 см 011 помещен в однородное магнитное поле силой 0,35 Тл. Найдите чистый магнитный поток через коробку.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.87GP
    Транскраниальная магнитная стимуляция (IMS) — это неинвазивный метод изучения функции мозга, а также, возможно, лечения. В этой технике проводящая петля удерживается возле головы человека, как показано на рисунке. Когда ток в контуре изменяется быстро, создаваемое им магнитное поле может изменяться со скоростью 3,00·104 Тл/с. Это быстро меняющееся магнитное поле индуцирует электрический ток в ограниченной области мозга, что может вызвать подергивание пальца, появление ярких пятен в поле зрения (магнетофосфены) или чувство полного счастья, переполняющее человека.Чему равна ЭДС индукции, если магнитное поле изменяется с указанной выше скоростью на площади 1,13 × 10 2 м2?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.88GP
    Магнитное поле с зависимостью от времени, показанной на рисунке, расположено под прямым углом к ​​круглой катушке диаметром 3,75, состоящей из 155 витков. см. Чему равна ЭДС индукции в катушке при t = 2,50 мс (а), t = 7,50 мс (б), t = 15,0 мс (в) и t = 25,0 мс (г)?

    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.89GP
    Вы хотите сконструировать индуктор на 50,0 мГн, намотав изолированный медный провод (диаметр = 0,0332 см) на трубку с круглым поперечным сечением радиусом 2,67 см. Какой длины потребуется проволока, если она намотана на трубку в один плотный слой?
    Решение:

    Глава 23. Магнитный поток и закон индукции Фарадея. Ф.Обе цепи имеют одинаковое сопротивление R. Найдите (а) значение R и (б) постоянную времени цепи RL.
    Решение:

    Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.91GP
    а) Через какое время после замыкания ключа сила тока в цепи будет равна 12 мА? б) Сколько энергии сохраняется в катушке индуктивности, когда ток достигает своего максимального значения?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.92GP
    Аккумулятор 9,0 В соединен последовательно с катушкой индуктивности 31 мГн, сопротивлением 180 Ом. резистор и разомкнутый ключ, а) Чему равна сила тока в цепи через 0,120 мс после замыкания ключа? б) Сколько энергии запасено в индукторе в это время?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.93GP
    Предположим, что муха, описанная в задаче 79, поворачивается на угол 90° за 37 мс. Если магнитный поток через одну из катушек на насекомом во время этого маневра изменяется от максимального до нуля, а катушка имеет 85 витков провода, найти величину ЭДС индукции.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.94GP
    Токопроводящий стержень массы m находится в контакте с двумя вертикальными токопроводящими рельсами, отстоящими друг от друга на расстоянии L, как показано на рисунке. Вся система погружена в магнитное поле величиной B, направленное наружу страницы. Предполагая, что стержень скользит без трения, (а) опишите движение стержня после того, как он вышел из состояния покоя, (б) Каково направление индукционного тока (по часовой стрелке или против часовой стрелки) в цепи? в) Найдите скорость стержня после длительного падения.

    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.95GP
    Одновитковая прямоугольная петля шириной W и длиной L движется параллельно своей длине со скоростью v. Петля движется из области с магнитным полем, перпендикулярным плоскости петли, в область, где магнитное поле равно нулю, как показано на рис. Найти скорость изменения магнитного потока через петлю (а) до того, как она войдет в область нулевого поля, (б) сразу после того, как она войдет в область нулевого поля, и (в) после того, как она полностью окажется в области нулевого поля. поле, (d) Для каждого из случаев, рассмотренных в частях (a), (b) и (c), укажите, направлен ли индуцированный ток в петле по часовой стрелке, против часовой стрелки или равен нулю.Объясните в каждом случае.

    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.96GP
    Переключатель в цепи, показанной на рисунке, изначально разомкнут, (а) Найдите ток в цепи долгое время после замыкания переключателя, (b) Опишите поведение лампочки с момента замыкания переключателя до момента, когда ток достигает значения, найденного в части (a), (c) Теперь предположим, что переключатель открыт после того, как он был замкнут в течение длительное время, если индуктор большой, наблюдается, что свет ярко вспыхивает, а затем перегорает.Объясните это поведение. (d) Найдите напряжение на лампочке непосредственно перед и сразу после размыкания выключателя.

    Решение:


    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.97GP
    Электрическое поле E и магнитное поле B имеют одинаковую плотность энергии, (a) Выразите отношение E/B через фундаментальные константы ε0 и µ0. (b) Оцените E/B численно и сравните полученный результат со скоростью света.
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.98ПП
    «Умные» светофоры управляются петлями провода, заделанного в дорогу (рисунок). Эти «петлевые детекторы» воспринимают изменение магнитного поля, когда большой металлический объект, например, автомобиль или грузовик, движется по петле. Как только объект обнаружен, электрические цепи в контроллере проверяют перекрестное движение, а затем переключают свет с красного на зеленый.

    Типичный петлевой детектор состоит из трех или четырех витков провода 14-го калибра, закопанного на 3 дюйма ниже уровня дорожного покрытия. Вы можете увидеть отметки на дороге, где тротуар был срезан для установки проводов.На данном перекрестке может быть более одного петлевого детектора; это позволяет системе распознавать движение объекта, поскольку она активирует сначала один детектор, а затем другой в течение короткого периода времени. Если система определяет, что автомобиль въехал на перекресток, когда горит красный свет, она может активировать одну камеру, чтобы сделать снимок автомобиля спереди, чтобы увидеть лицо водителя, а затем вторую камеру, чтобы сделать снимок проезжей части. автомобиль и его номерной знак сзади. Эта система камер с красными фонарями успешно использовалась во время захватывающей сцены погони по улицам Лондона в фильме «Сокровище нации: Книга тайн».
    Мотоциклы настолько малы, что часто не могут активировать датчики, оставляя велосипедиста ждать зеленого сигнала светофора. Некоторые компании начали продавать мощные неодимовые магниты для установки на днище мотоцикла, чтобы детекторы «видели» их.
    Предположим, что нисходящая вертикальная составляющая магнитного поля увеличивается, когда автомобиль проезжает через петлевой детектор. Если смотреть сверху, индуцированный ток в контуре направлен по часовой стрелке, против часовой стрелки или равен нулю?
    Решение:
    Поскольку нисходящая вертикальная составляющая магнитного поля увеличивается из-за автомобиля, в соответствии с законом Ленца индуцируемый ток противодействует увеличению магнитного поля.
    Таким образом, по правилу правой руки (RHR) направление тока должно быть против часовой стрелки

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.99PP
    «Умные» светофоры управляются петлями из проволоки, встроенной в дорогу (Фигура). Эти «петлевые детекторы» воспринимают изменение магнитного поля, когда большой металлический объект, например, автомобиль или грузовик, движется по петле. Как только объект обнаружен, электрические цепи в контроллере проверяют перекрестное движение, а затем переключают свет с красного на зеленый.

    РИСУНОК
    Типичный петлевой детектор состоит из трех или четырех витков провода 14-го калибра, закопанного на 3 дюйма ниже уровня дорожного покрытия. Вы можете увидеть отметки на дороге, где тротуар был срезан для установки проводов. На данном перекрестке может быть более одного петлевого детектора; это позволяет системе распознавать движение объекта, поскольку она активирует сначала один детектор, а затем другой в течение короткого периода времени. Если система определяет, что автомобиль въехал на перекресток, когда горит красный свет, она может активировать одну камеру, чтобы сделать снимок автомобиля спереди, чтобы увидеть лицо водителя, а затем вторую камеру, чтобы сделать снимок проезжей части. автомобиль и его номерной знак сзади.Эта система камер с красными фонарями успешно использовалась во время захватывающей сцены погони по улицам Лондона в фильме «Сокровище нации: Книга тайн».
    Мотоциклы настолько малы, что часто не могут активировать датчики, оставляя велосипедиста ждать зеленого сигнала светофора. Некоторые компании начали продавать мощные неодимовые магниты для установки на днище мотоцикла, чтобы детекторы «видели» их.
    Автомобиль наезжает на петлевой детектор и увеличивает нисходящую составляющую магнитного поля внутри петли с 1.2 × 10–5, Тл до 2,6 × 10–5 Тл за 0,38 с. Какова ЭДС индукции в детекторе, если он круглый, имеет радиус 0,67 м и состоит из четырех проволочных витков?
    A. 0,66 × 10–4 В
    B. 1,5 × 10–4 В
    C. 2,1 × 10–4 В
    D. 6,2 × 10–4 В Закон индукции Фарадея Q.100PP

    «Умные» светофоры управляются проволочными петлями, встроенными в дорогу (рисунок). Эти «петлевые детекторы» воспринимают изменение магнитного поля, когда большой металлический объект, например, автомобиль или грузовик, движется по петле.Как только объект обнаружен, электрические цепи в контроллере проверяют перекрестное движение, а затем переключают свет с красного на зеленый.

    РИСУНОК
    Типичный петлевой детектор состоит из трех или четырех витков провода 14-го калибра, закопанного на 3 дюйма ниже уровня дорожного покрытия. Вы можете увидеть отметки на дороге, где тротуар был срезан для установки проводов. На данном перекрестке может быть более одного петлевого детектора; это позволяет системе распознавать движение объекта, поскольку она активирует сначала один детектор, а затем другой в течение короткого периода времени.Если система определяет, что автомобиль въехал на перекресток, когда горит красный свет, она может активировать одну камеру, чтобы сделать снимок автомобиля спереди, чтобы увидеть лицо водителя, а затем вторую камеру, чтобы сделать снимок проезжей части. автомобиль и его номерной знак сзади. Эта система камер с красными фонарями успешно использовалась во время захватывающей сцены погони по улицам Лондона в фильме «Сокровище нации: Книга тайн».
    Мотоциклы настолько малы, что часто не могут активировать датчики, оставляя велосипедиста ждать зеленого сигнала светофора.Некоторые компании начали продавать мощные неодимовые магниты для установки на днище мотоцикла, чтобы детекторы «видели» их.
    Грузовик подъезжает к петлевому детектору и увеличивает нисходящую составляющую магнитного поля внутри петли с 1,2 × 10–5 Тл до большего значения B за 0,38 с. Детектор имеет круглую форму, радиус 0,67 м и состоит из трех проволочных петель. Чему равно B, если ЭДС индукции равна 8,1 × 10–4 В?
    А. 3,6 × 10–5 Тл
    Б. 7,3 × 10–5 Тл
    С.8.5×10−5T
    D. 24×10−5T
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.101PP
    «Умные» светофоры управляются проволочными петлями дорога (рис.). Эти «петлевые детекторы» воспринимают изменение магнитного поля, когда большой металлический объект, например, автомобиль или грузовик, движется по петле. Как только объект обнаружен, электрические цепи в контроллере проверяют перекрестное движение, а затем переключают свет с красного на зеленый.

    РИСУНОК
    Типичный петлевой детектор состоит из трех или четырех витков провода 14-го калибра, закопанного на 3 дюйма ниже уровня дорожного покрытия. Вы можете увидеть отметки на дороге, где тротуар был срезан для установки проводов. На данном перекрестке может быть более одного петлевого детектора; это позволяет системе распознавать движение объекта, поскольку она активирует сначала один детектор, а затем другой в течение короткого периода времени. Если система определяет, что автомобиль въехал на перекресток, когда горит красный свет, она может активировать одну камеру, чтобы сделать снимок автомобиля спереди, чтобы увидеть лицо водителя, а затем вторую камеру, чтобы сделать снимок проезжей части. автомобиль и его номерной знак сзади.Эта система камер с красными фонарями успешно использовалась во время захватывающей сцены погони по улицам Лондона в фильме «Сокровище нации: Книга тайн».
    Мотоциклы настолько малы, что часто не могут активировать датчики, оставляя велосипедиста ждать зеленого сигнала светофора. Некоторые компании начали продавать мощные неодимовые магниты для установки на днище мотоцикла, чтобы детекторы «видели» их.
    Предположим, что мотоцикл увеличивает нисходящую составляющую магнитного поля внутри контура только с 1.от 2 × 10–5 Тл до 1,9 × 10–5 Тл. Детектор имеет квадратную форму со стороной 0,75 м и имеет четыре витка провода. За какое время должно увеличиться магнитное поле, чтобы оно индуцировало ЭДС 1,4 · 10-4 В?
    A. 0,028 с
    B. 0,11 с
    C. 0,35 с
    D. 0,60 с
    Решение:

    слева от области поля, где поля нет, и движется вправо.Когда кольцо находится наполовину в области поля, (а) направлен ли индукционный ток в кольце по часовой стрелке, против часовой стрелки или равен нулю, и (б) направлена ​​ли магнитная сила на кольцо вправо, влево или равна нулю? Объяснять.
    Решение:
    а) По правилу правой руки ; движение кольца направлено вправо
    Итак, ток будет направлен по часовой стрелке
    б)
    Магнитная сила, действующая на кольцо, направлена ​​влево, потому что v, B и F взаимно перпендикулярны друг другу.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.103IP
    Предположим, что кольцо изначально находится полностью внутри области поля и движется вправо, (a) Наведенный ток в кольце направлен по часовой стрелке, против часовой стрелки или равен нулю , и (b) магнитная сила на кольце справа, слева или равна нулю? Объяснять. Теперь кольцо начинает выходить из области поля, все еще двигаясь вправо, (c) направлен ли индуцированный ток в кольце по часовой стрелке, против часовой стрелки или равен нулю, и (d) представляет собой магнитную силу, действующую на кольцо вправо, к слева или ноль? Объяснять.
    Решение:
    Учитывая это, предположим, что кольцо изначально полностью находится внутри области поля и движется вправо
    вправо, то магнитное поле не меняется и, следовательно, магнитный поток не меняется.
    б) На кольцо не действует никакая сила, так как нет ЭДС индукции, ток не возникает и, следовательно, производит или изменяет магнитный поток.Кольцо будет компенсировать это изменение, генерируя ток против часовой стрелки, чтобы сформировать магнитное поле из страницы.
    d) Когда кольцо покидает магнитное поле, слева на левой стороне кольца будет создаваться сила, а на правой стороне кольца сила будет равна нулю, поскольку оно выпало из поля. Следовательно, чистая сила, создаваемая кольцом, будет направлена ​​влево, противодействуя силе, перемещающей кольцо вправо.

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.104IP
    (a) Какая внешняя сила требуется, чтобы придать стержню скорость 3,49 м/с при неизменности всех остальных элементов? б) Какова сила тока в цепи в этом случае?
    Решение:

    Глава 23 Магнитный поток и закон индукции Фарадея Q.105IP
    Предположим, что направление магнитного поля изменилось на противоположное. Все остальное в системе остается прежним, а) направлена ​​ли магнитная сила на стержень вправо, влево или равна нулю? Объясните, (b) Направление индукционного тока по часовой стрелке, против часовой стрелки или ноль? Объяснять.(c) Предположим, теперь мы регулируем напряженность магнитного поля до тех пор, пока скорость стержня не станет равной 2,49 м/с, сохраняя при этом силу равной 1,60 Н. Какова новая величина магнитного поля?
    Решение:

    23.7 Трансформаторы – College Physics: OpenStax

    Цели обучения

    • Объясните, как работает трансформатор.
    • Рассчитать напряжение, ток и/или число витков, зная другие величины.

    Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, поскольку трансформаторы имеют внутреннее сопротивление).Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют трансформатор, встроенный в сменный блок (как на рис. 1), который преобразует переменное напряжение 120 или 240 В в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках в системах распределения электроэнергии, например, как показано на рис. 2. Энергия передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для заданной мощности требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее.Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя используются трансформаторы.

    Рисунок 1. Подключаемый трансформатор становится все более популярным в связи с распространением электронных устройств, работающих от напряжения, отличного от обычного 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В. (кредит: Shop Xtreme) Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжении более 200 кВ, иногда до 700 кВ, для ограничения потерь энергии.Местное распределение электроэнергии в районы или предприятия проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния при напряжении от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для обеспечения безопасности на объекте отдельного пользователя.

    Тип трансформатора, рассматриваемого в этом тексте (см. рис. 3), основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на аппарат Фарадея, используемый для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи. Две катушки называются первичной и вторичной катушками .При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но и увеличивает его намагниченность. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется на вторичную обмотку, индуцируя ее выходное напряжение переменного тока.

    Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов.Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и усиливается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке индуцирует ток во вторичной.

    Для простого трансформатора, показанного на рисунке 3, выходное напряжение [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{s}}}[/латекс] почти полностью зависит от входного напряжения [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{ p}}}[/latex] и соотношение количества петель в первичной и вторичной обмотках. Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение [latex]\boldsymbol{V_s}[/latex] равным

    [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{s}} = -N _{\textbf{s}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{\Delta \phi}{\Delta t}} ,[/латекс]

    , где [латекс]\boldsymbol{N_{\textbf{s}}}[/латекс] — количество витков во вторичной обмотке, а [латекс]\boldsymbol{\Delta \phi / \;\Delta t}[/ латекс] — скорость изменения магнитного потока.Обратите внимание, что выходное напряжение равно ЭДС индукции ([латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{s}} = ЭДС _{\textbf{s}}}[/латекс]), при условии, что сопротивление катушки мало трансформаторы). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому [латекс]\boldsymbol{\Delta \phi / \;\Delta t}[/latex] одинаково сторона. Входное первичное напряжение [латекс]\boldsymbol{V_{\textbf{p}}}[/латекс] также связано с изменением потока на

    [латекс]\boldsymbol{V _{\textbf{p}} = -N _{\textbf{p}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{\Delta \phi}{\Delta t}} .[/латекс]

    Причина этого немного тоньше. Закон Ленца говорит нам, что первичная катушка противодействует изменению потока, вызванному входным напряжением [латекс]\жирный символ{V _{\textbf{p}}}[/латекс], поэтому знак минус (это пример собственная индуктивность , эта тема будет подробно рассмотрена в следующих разделах). Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, петлевое правило Кирхгофа говорит нам, что ЭДС индукции точно равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

    [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {N _ {\ textbf {s}}} {N _ {\ textbf {p}}}} [/латекс].

    Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичных и первичных напряжений в трансформаторе равно отношению числа витков в их катушках.

    Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их обмотках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменную мощность, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки.Повышающий трансформатор увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Предполагая, как и мы, что сопротивление пренебрежимо мало, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной мощности. На практике это почти так — КПД трансформатора часто превышает 99%. Приравнивание входной и выходной мощности,

    [латекс] \boldsymbol {P _ {\ textbf {p}} = I _ {\ textbf {p}} V _ {\ textbf {p}} = I _ {\ textbf {s}} V _ {\ textbf {s}} = P_{\textbf{s}}}.[/латекс]

    Перестановка терминов дает

    [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {I _ {\ textbf {p}}} {I _ {\ textbf {s}}}} [/латекс].

    В сочетании с [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V _{\textbf{p}}} = \frac{N _{\textbf{s}}}{N _{\textbf {p}}}}[/latex], мы находим, что

    [латекс]\boldsymbol{\frac{I _{\textbf{s}}}{I _{\textbf{p}}}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {N _ {\ textbf {p}}} {N _ {\ textbf {s}}}} [/ латекс]

    — соотношение между выходным и входным токами трансформатора. Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

    Пример 1: Расчет характеристик повышающего трансформатора

    Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 витков и при использовании потребляет ток 10,00 А. а) Сколько петель во вторичном? (b) Найдите текущий выход вторичной обмотки.

    Стратегия и решение для (а)

    Решаем [латекс]\boldsymbol{\frac{V_{\textbf{s}}}}{V_{\textbf{p}}} = \frac{N _{\textbf{s}}}{N _{\textbf{ p}}}}[/latex] для [латекс]\boldsymbol{N_{\textbf{s}}}[/латекс], количество петель во вторичном, и введите известные значения.4}. \end{массив}[/латекс]

    Обсуждение для (а)

    Для получения такого большого напряжения требуется большое количество витков во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это верно для трансформаторов неоновых вывесок и тех, которые обеспечивают высокое напряжение внутри телевизоров и ЭЛТ.

    Стратегия и решение для (b)

    Аналогичным образом мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив p}}}{N_{\textbf{s}}}}[/latex] для [латекс]\boldsymbol{I _{\textbf{s}}}[/latex] и ввод известных значений.4} = 12,0 \;\textbf{мА}} \end{массив}[/latex].

    Обсуждение для (б)

    Как и ожидалось, выходной ток значительно меньше входного. В некоторых впечатляющих демонстрациях для создания длинных дуг используются очень большие напряжения, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь равна [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{p}} = I_{\textbf{p}} V_{\textbf{p}} =(10,00 \;\textbf{A})( 120 \;\textbf{V}) = 1.20 \;\textbf{кВт}}[/латекс]. Это равно выходной мощности [латекс]\boldsymbol{P_{\textbf{p}} = I_{\textbf{s}} V_{\textbf{s}} =(12,0 \;\textbf{мА})(100 \ ;\textbf{кВ}) = 1,20 \;\textbf{кВт}}[/latex], как мы и предполагали при выводе используемых уравнений.

    Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, проясняет, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если первичное напряжение не меняется, то и вторичное напряжение не индуцируется. Одна из возможностей состоит в том, чтобы подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель.Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка создает напряжение, подобное показанному на рис. 4. На самом деле это непрактичная альтернатива, и переменный ток широко используется везде, где необходимо повысить или понизить напряжение.

    Рисунок 4. Трансформаторы не работают для чистого входного напряжения постоянного тока, но если его включать и выключать, как на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как на нижнем графике. Это не синусоидальный переменный ток, необходимый большинству приборов переменного тока.

    Пример 2. Расчет характеристик понижающего трансформатора

    Зарядное устройство, предназначенное для последовательного соединения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (суммарная ЭДС 12.5 В постоянного тока) должен иметь выход 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с 200-контурной первичной обмоткой и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной обмотке? (б) Если зарядный ток равен 16,0 А, каков входной ток?

    Стратегия и решение для (а)

    Вы ожидаете, что вторичный узел будет иметь небольшое количество циклов. Решение [латекс]\boldsymbol{\frac{V_s}{V_{\textbf{p}}} = \frac{N_{\textbf{s}}}}{N_{\textbf{p}}}}[/latex] и ввод известных значений дает

    [латекс]\begin{array}{r @{{}={}} l} \boldsymbol{N _{\textbf{s}}} & \boldsymbol{N _{\textbf{p}} \frac{V_{ \textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}} \\[1em] & \boldsymbol{(200) \frac{15.0 \;\textbf{V}}{120 \;\textbf{V}} = 25}. \end{массив}[/латекс]

    Стратегия и решение для (b)

    Текущие входные данные можно получить, решив [латекс]\boldsymbol{\frac{I _{\textbf{s}}}{I _{\textbf{p}}} = \frac{N _{\textbf{p}}} {N_{\textbf{s}}}}[/latex] для [латекс]\boldsymbol{I _{\textbf{p}}}[/латекс] и ввод известных значений. Это дает

    [латекс]\begin{array}{r @{{}={}} l} \boldsymbol{I _{\textbf{p}}} & \boldsymbol{I _{\textbf{s}} \frac{N_{ \textbf{s}}}{N_{\textbf{p}}}} \\[1em] & \boldsymbol{(16.0 \;\textbf{A}) \frac{25}{200} = 2,00 \;\textbf{A}}. \end{массив}[/латекс]

    Обсуждение

    Количество витков во вторичной обмотке мало, как и положено для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток создает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для работы с большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых петель во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи.Еще раз обратите внимание, что это решение основано на предположении о 100% эффективности, или выходная мощность равна входной ([latex]\boldsymbol{P_{\textbf{p}} = P_{\textbf{s}}}[/latex] ) — разумно для хороших трансформаторов. В этом случае первичная и вторичная мощность составляет 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки стабильности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые аккумуляторы необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный. Это делается с помощью чего-то, называемого выпрямителем, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают ток только в одном направлении.

    Трансформаторы

    имеют множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в главе 23.7 Электробезопасность: системы и устройства.

    Исследования PhET: Генератор

    Генерируйте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

    Рис. 5. Генератор
    • Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
    • Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

      [латекс]\boldsymbol{\frac{V _{\textbf{s}}}{V_{\textbf{p}}}}[/latex][латекс]\boldsymbol{=}[/latex][латекс]\ жирный символ {\ гидроразрыва {N _ {\ textbf {s}}} {N _ {\ textbf {p}}}}, [/ латекс]

      , где [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{p}}}[/latex] и [latex]\boldsymbol{V_{\textbf{s}}}[/latex] — напряжения на первичной и вторичной обмотках, имеющих [латекс]\boldsymbol{N _{\textbf{p}}}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{N _{\textbf{s}}}[/латекс] повороты.

    • Токи [latex]\boldsymbol{I_{\textbf{p}}}[/latex] и [latex]\boldsymbol{I_{\textbf{s}}}[/latex] в первичной и вторичной обмотках связаны by [латекс] \boldsymbol {\ frac {I _ {\ textbf {s}}} {I _ {\ textbf {p}}} = \ frac {N _ {\ textbf {p}}} {N _ {\ textbf {s} }}}[/латекс]
    • Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, а понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

    Концептуальные вопросы

    1: Объясните, что вызывает физические вибрации в трансформаторах, частота которых в два раза превышает частоту переменного тока.

    Задачи и упражнения

    1: Подключаемый трансформатор, подобный показанному на рис. 4, подает 9,00 В на систему видеоигр. а) Сколько витков во вторичной обмотке, если входное напряжение 120 В, а в первичной обмотке 400 витков? (б) Каков его входной ток, когда его выходной ток равен 1,30 А?

    2: Американка, путешествующая по Новой Зеландии, везет с собой трансформатор для преобразования стандартных новозеландских 240 В в 120 В, чтобы в поездке она могла пользоваться небольшими бытовыми приборами.а) Каково соотношение витков в первичной и вторичной обмотках ее трансформатора? б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландка, путешествующая по Соединенным Штатам, могла использовать этот же трансформатор для питания своих приборов на 240 В от 120 В?

    3: В кассетном магнитофоне используется подключаемый трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. а) Каков текущий вход? б) Какова потребляемая мощность? (c) Разумно ли такое количество энергии для небольшого электроприбора?

    4: (a) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей для фонарика, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? б) Какой входной ток необходим для получения 4.00 А выход? в) Какова потребляемая мощность?

    5: (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим, что эффективность 100%. (b) Если фактический КПД меньше 100%, должен ли входной ток быть больше или меньше? Объяснять.

    6: Универсальный трансформатор имеет вторичную обмотку с несколькими точками, в которых может сниматься напряжение, что дает 5 выходов.60, 12,0 и 480 В. (а) Входное напряжение 240 В на первичную катушку из 280 витков. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходных напряжений? (b) Если максимальный входной ток равен 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?

    7: Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ. Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение в 335 кВ. Вторичная часть этого трансформатора заменяется, чтобы его мощность могла составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности по модернизированным линиям электропередачи.а) Каково соотношение витков в новой вторичной обмотке по сравнению со старой вторичной обмоткой? (б) Каково отношение новой мощности по току к старой мощности (на 335 кВ) для той же мощности? (c) Если модернизированные линии электропередачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новой линии к потерям мощности в старой?

    8: Если выходная мощность в предыдущей задаче равна 1000 МВт, а сопротивление линии равно [латекс]\boldsymbol{2,00 \;\Омега}[/латекс], каковы были потери в старой и новой линии?

    9: Необоснованные результаты

    Электроэнергия переменного тока напряжением 335 кВ от линии электропередачи подается на первичную обмотку трансформатора.Отношение количества витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной равно [латекс]\жирный символ{N _{\textbf{s}}/N _{\textbf{p}} =1000}[/латекс]. а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?

    10: Создайте свою собственную задачу

    Рассмотрим двойной трансформатор для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух ступеней. Первый — это трансформатор, который выдает гораздо большее выходное напряжение, чем его входное.Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете выходное напряжение конечного каскада на основе входного напряжения первого каскада и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки). Также рассчитайте максимальный выходной ток конечной ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.

    Глоссарий

    трансформатор
    устройство, преобразующее напряжение из одного значения в другое с помощью индукции
    уравнение трансформатора
    уравнение, показывающее, что отношение вторичных и первичных напряжений в трансформаторе равно отношению числа витков в их обмотках; [латекс] \ boldsymbol {\ frac {V _ {\ textbf {s}}} {V _ {\ textbf {p}}} = \ frac {N _ {\ textbf {s}}} {N _ {\ textbf {p}} }}[/латекс]
    Повышающий трансформатор
    трансформатор повышающий напряжение
    понижающий трансформатор
    трансформатор, понижающий напряжение

    Решения

    Задачи и упражнения

    1: (а) 30.{-2} \;\textbf{A}}[/латекс]

    3: (а) 20,0 мА

    (б) 2,40 Вт

    (c) Да, такая мощность вполне приемлема для небольшого прибора.

    5: (а) 0,063 А

    (b) Требуется больший входной ток.

    7: (а) 2.2

    (б) 0,45

    (в) 0,20 или 20,0%

    9: (а) 335 МВ

    (b) слишком высокое, намного превышающее напряжение пробоя воздуха на разумных расстояниях

    (c) слишком высокое входное напряжение

     

    Электрифицирующая катушка Теслы Музыка и мода

    8 сентября 2014 г.

    На выставке Bay Area Maker Faire в мае 2014 года высокотехнологичный модельер Анук Виппрехт и создатели музыки ArcAttack объединили свои усилия для захватывающего шоу, основанного на катушках Теслы.Посмотрите видео ниже, чтобы увидеть действие!

    Это представление, вероятно, вызывает несколько вопросов у посвященных катушек Теслы: почему «молния» не влияет на человека, которого она поражает? Как вы делаете музыку с катушками Теслы? Что такое катушка Тесла?

    Поля, Тесла и базовые трансформаторы

    Катушки Тесла

    — это в основном специальные типы трансформаторов — аппараты, работающие на магнитной индукции, которая, в свою очередь, основана на взаимодействии электрического и магнитного полей.

    Электрические поля и магнитные поля действуют на расстоянии (как гравитация) и взаимодействуют друг с другом. Изменяющееся магнитное поле толкает или притягивает заряженные частицы, и если эти заряды могут свободно двигаться (как в проводящем материале), возникает электрический ток. Электрический ток означает, что электрические заряды движутся, и это движение создает магнитное поле. Этот процесс создания электрического тока и магнитного поля называется индукцией. 1

    Когда изменяющееся магнитное поле направлено перпендикулярно через замкнутую петлю проводящего провода, оно генерирует электрический ток в проводе.В свою очередь, движущиеся заряды будут создавать другое магнитное поле. Эта часть фундаментальной физики лежит в основе двигателей, генераторов, трансформаторов и катушек индуктивности.

    Переменные токи (AC) — это токи, которые изменяются во времени, двигаясь в одном направлении, а затем в другом, создавая магнитное поле, изменяющееся во времени. Постоянные токи (DC) — это токи, которые текут только в одном направлении.

    Давным-давно, когда впервые возникла проблема с передачей электроэнергии в дома, Томас Эдисон поставлял постоянный ток.Ему дали рекомендательное письмо нанять Николу Теслу. Эдисону не нравилась идея Теслы с переменным током, но он нанял Теслу, чтобы улучшить свои методы доставки постоянного тока, и, как гласит история, Эдисон предложил за это хорошую сумму денег. 2

    После того, как Тесле удалось повысить эффективность электричества с помощью постоянного тока, Эдисон не заплатил Тесле и сказал, что предложение денег было частью шутки, которую Тесла не понял. 2 Тесла ушел из компании Эдисона и началась знаменитая «война токов».

    Тесла решился на собственную деятельность и после года тяжелого труда основал собственную компанию. Он разработал генератор переменного тока и двигатель. В конце концов Джордж Вестингауз заинтересовался своими устройствами подачи переменного тока, и они объединили усилия и сделали попытку осветить Всемирную выставку 1893 года. 2 Они были очень успешными! Вскоре работы Теслы стали использоваться для использования энергии Ниагарского водопада и подачи переменного тока по всему региону.

    Никола Тесла также работал над устройствами беспроводной передачи с нереализованной целью передачи электричества через Атлантический океан по беспроводной связи (хотя он мог управлять моделью корабля по беспроводной сети).Он также зажег в руке газоразрядную лампу, используя переменный ток высокого напряжения и высокой частоты. И фундаментальная физика, стоящая за всем этим, связана с взаимодействием между электрическими и магнитными полями: изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток, а электрический ток индуцирует магнитное поле.

    Базовые трансформаторы изготовлены из спиральной проволоки (наподобие пружины), по которой проходит переменный ток. Когда этот скрученный провод подносится к другому витку провода, изменяющееся магнитное поле, создаваемое первой катушкой, индуцирует электрический ток и магнитное поле во второй катушке.

    Катушки проволоки не должны соприкасаться друг с другом, потому что электрические и магнитные поля действуют на расстоянии. Однако сила этих полей пропорционально больше на более близких расстояниях: чем они ближе, тем сильнее эффект.

    Величина поля первичной (первой) катушки, которая взаимодействует со вторичной (второй) катушкой, определяет, насколько связаны две катушки. Обычные трансформаторы связывают 97 или более процентов магнитного поля и имеют низкие потери энергии. 1

    Обычные трансформаторы, подобные показанному на диаграмме ниже, полагаются на магнитную индукцию для повышения или понижения напряжения.Первичная катушка провода несет переменный ток, который создает изменяющееся магнитное поле. Это изменяющееся магнитное поле (описываемое магнитным потоком на схеме) индуцирует ток во вторичной обмотке.

    Трансформаторы обычно устанавливаются на линиях электропередач и используются для снижения напряжения, подаваемого от зданий электростанций. Трансформаторы также широко используются с кабелями для зарядки сотовых телефонов, шнурами для зарядки ноутбуков и принтерами. Трансформаторы для этих устройств расположены на большой площади шнура, который втыкается в стену. 1

    Слева направо : (A) A Изображение трансформатора с первичным и вторичным проводами. Часто в обмотки помещают железный сердечник, чтобы увеличить количество силовых линий магнитного поля, проходящих через вторичные обмотки; (B) обычный трансформатор на мачте; (C) и разобранный адаптер переменного тока.
    Авторы изображений : A. Daniels, Glogger и Cuddlyable3 соответственно (все через Wikimedia Commons).

    Катушки Теслы

    Катушки Тесла

    — это трансформаторы, но не обычные трансформаторы. Они основаны на одной и той же фундаментальной физике, но трансформаторы Теслы отличаются друг от друга по-разному. Трансформаторы Тесла работают при очень высоких напряжениях, высоких частотах и ​​малых токах — условиях, которые могут вывести из строя многие обычные трансформаторы.

    Трансформаторы Теслы

    имеют первичную катушку с несколькими витками и вторичную катушку с большим количеством витков. Между ними просто воздух, и они связывают только от 10 до 20 процентов наведенного магнитного поля. 3 Каждая из этих катушек подключена к собственному конденсатору, что делает каждую из них резонансной цепью, и они спроектированы так, чтобы находиться в резонансе друг с другом.

    Резонансный контур — это контур, в котором периодически возникает ток, а затем нет тока. Во-первых, рассмотрим небольшой конденсатор, который представляет собой две металлические пластины, расположенные очень близко друг к другу, но не соприкасающиеся.

    Если мы подключим конденсатор к батарее, как только мы замкнем цепь, заряд начнет течь по цепи, при этом электроны накапливаются на одной пластине конденсатора и отталкиваются от второй пластины конденсатора, потому что они чувствуют толчок от удаленного заряда, отталкивающего их от первой пластины, и притяжение к положительной клемме батареи.

    Ток (поток заряда) в цепи продолжается до тех пор, пока пластины не будут заполнены максимальным зарядом, который может удерживать конденсатор. Помните, что подобные заряды отталкиваются, поэтому по мере того, как каждый заряд застревает на первой пластине, становится труднее поставить на нее другой заряд.

    Этот полностью заряженный конденсатор, подключенный к батарее, имеет два варианта: Не слишком сильные выводы батареи, ток в цепи прекращается, потому что пластины заполнены, все остается по-прежнему; или слишком сильное тесто, больше заряда попадает на полные пластины, в результате чего заряд перескакивает через зазор между двумя пластинами и ионизирует воздух между ними.

    Пример схемы с конденсатором.

    Если мы возьмем полностью заряженную пластину, снимем ее с батареи и подсоединим к петле провода (индуктору), то произойдет (если нет потерь) раскачивание энергии от конденсатора к индуктор.

    Когда заряженный конденсатор пытается разрядиться, позволяя отрицательным зарядам с одной стороны пластины пройти по проводу к другой стороне конденсатора, заряды испытывают силу в противоположном направлении из-за индуцированного тока, возникающего в катушка провода, и это происходит до тех пор, пока пластины не разрядятся, а затем индуктор из-за уменьшения тока по мере заполнения другой пластины имеет индуктивный ток, который продолжает заряжать пластину конденсатора до тех пор, пока то, что когда-то было положительно заряженной пластиной, не станет отрицательно заряженной. заряженная пластина с максимальным зарядом –Q.

    Пример схемы с катушкой индуктивности и конденсатором.

    Таким образом, схема качает заряд туда-сюда, а ток туда-сюда. Если бы не было потерь, это продолжалось бы вечно, но потери есть, и в итоге энергия рассеивается на нагрев проводов и окружающей среды.

    В катушке Теслы энергия в первичной катушке и конденсаторе течет туда и обратно через множество циклов. Вторичная катушка и вторичный конденсатор имеют одинаковую цикличность энергии, поэтому они находятся в резонансе (колебания с той же частотой) с первичной катушкой и конденсатором.Первичная катушка передает свою энергию вторичной катушке в течение ряда циклов, пока вся энергия не будет передана из первичной обмотки во вторичную или на потери.

    Поскольку первичная и вторичная катушки колеблются вместе (резонансные), катушки Тесла довольно эффективны, поскольку 85 или более процентов энергии передается от первичной к вторичной, даже несмотря на то, что связь поля очень мала.

    Для первичной катушки электрический заряд сначала должен полностью заполнить специальный конденсатор, который действует как переключатель (искровой разрядник), который посылает ток в первичную катушку и первичный конденсатор, после чего начинается цикл.Цикличность происходит с высокой частотой (от 20 до 100 тысяч раз в секунду).

    Это затем индуцирует магнитное поле, которое индуцирует ток во вторичной катушке. Вторичная катушка имеет много обмоток, но находится достаточно далеко от первичной катушки, поэтому изолирована от нее и, следовательно, не выходит из строя.

    Количество витков вторичной катушки и емкость в верхней части основаны на резонансной частоте первичной катушки. Катушки Тесла требуют, чтобы резонансная частота вторичной катушки была равна резонансной частоте первичной катушки.

    Поскольку на вторичной катушке намного больше обмоток, вторичный конденсатор имеет гораздо меньшую емкость, но он способен нести гораздо больший заряд и гораздо более высокое напряжение из-за своей тороидальной/бубликообразной геометрии. Индуцированный ток во вторичной катушке затем заряжает вторичный конденсатор, присоединенный к вторичной катушке.

    Схема катушки Тесла. Конденсатор высокого напряжения является первичным конденсатором. Тор — это вторичный конденсатор, который удерживает очень высокий заряд и имеет очень низкую емкость.
    Изображение предоставлено: Омегатрон через Викисклад.

    На фотографии ниже изображен трансформатор Теслы в Мемориале Николы Теслы в Хорватии. Нижняя часть представляет собой короткую катушку из очень «разболтанных» обмоток, соединенных с конденсатором. Внутренний сердечник — это вторичная катушка с множеством обмоток. Воздух находится между двумя змеевиками и внутри обоих змеевиков.

    В верхней части внутренней катушки имеется «клетка», которая собирает заряд (вторичный конденсатор). Из-за большого радиуса кривизны и площади поверхности вершины она способна накапливать большой заряд и поддерживать высокое напряжение, прежде чем разрядится в воздух.Когда он разряжается, он ионизирует воздух, как молнии.

    Слева направо: Катушка Тесла; Разряд катушки Теслы на британском Теслатоне 2006 года в Дерби. Авторы изображений: Затоньи Шандор и Кэролайн Тесман соответственно (оба через Викисклад).

    Музыкальные катушки

    Примечание редактора: Более ранняя версия этого раздела давала неполное объяснение метода создания музыки в ArcAttack. С тех пор раздел был обновлен и исправлен.

    Группа ArcAttack 4 творчески использует разряды современных катушек Теслы для создания музыки. Современные катушки Теслы используют твердотельную схему, которая не была доступна Тесле.

    Группа также модифицирует свои катушки Тесла, потому что традиционные катушки могут вызывать электромагнитные помехи, которые часто вызывают повреждение близлежащей электроники, если ток во время разряда слишком высок (это была проблема, с которой Тесла часто сталкивался со своими соседями). Чтобы уменьшить силу тока и эффект электромагнитных помех, ArcAttack добавляет еще один индуктор (катушка провода) для регулирования скорости разряда верхнего конденсатора.

    Разряды также могут распространяться в любом месте окружающей среды, но, скорее всего, они поразят наиболее проводящий объект поблизости. Металлы являются хорошими проводниками, поэтому ArcAttack кладет оконные сетки на землю и металлические заборы поблизости, чтобы сдерживать разряды.

    Так как же группа превращает электричество в музыку? Музыкальные ноты создаются путем воспроизведения звука на определенной частоте, которая определяет высоту ноты. Например, средний C (C4) имеет частоту 261,6 Гц или 261.6 циклов в секунду, а нота A4 имеет частоту 440 Гц или 440 циклов в секунду. Чтобы создать ноту A4, возмущение атмосферного давления необходимо производить примерно раз в 0,00227 секунды (1/440 цикла в секунду).

    Это не та же частота, что и резонансная частота первичной и вторичной катушек, используемых для увеличения напряжения с 300 до 600 вольт, которые они вводят в катушки, до 0,5 миллиона вольт, которые они производят с помощью катушек. Резонансная частота между первичной и вторичной катушками составляет около 40 кГц согласно видеоинтервью с ArcAttack, вложенным ниже.Это слишком высокая частота для нашего слуха.

    Но слышен звук, когда верхний конденсатор разряжается, ионизирует воздух и создает несколько вспышек света. Заставляя их катушки Теслы разряжаться с той же частотой, что и нота, ArcAttack может создать эту ноту.

    Чтобы создать ноту из этого звука, ArcAttack управляет переключателем включения/выключения катушек Теслы с помощью волоконно-оптических кабелей, которые посылают сигнал для включения и выключения микроконтроллера. Они включают катушку на время от 100 до 500 микросекунд (миллионных долей секунды), в зависимости от ноты, которую они хотят создать: дольше для более низких нот и короче для более высоких нот.За это время вторичная обмотка совершает 15—16 циклов; катушки затем выключаются, и катушки тесла дуги и делают хлопок.

    Если они будут делать это 440 раз в секунду, издавая каждый раз хлопающий звук, звук будет повторяться с той же частотой или высотой тона, что и нота A4, и наши уши услышат эту ноту. 440 циклов в секунду для звуковой волны означает, что мы слышим хлопок примерно каждые 2,27 миллисекунды.

    За то время, пока катушки Тесла включены, они резонируют с частотой 40 000 циклов в секунду, а вторичная катушка и конденсатор проходят около 15 или 16 циклов накопления энергии на тороидальном конденсаторе, и дуги растут от цикла к циклу.

    ArcAttack сочиняет музыку с учетом своих технологий. Они должны запрограммировать свои схемы на циклическое включение и выключение на разных нотах, в течение разного времени и с зажигательным световым шоу, соответствующим музыке. У них есть робот-барабанщик, который следит за ритмом всей группы.

    Ниже представлено видео-интервью с ArcAttack (около 17 минут), в котором они объясняют свои катушки Теслы, в том числе то, как они их строят и как они делают с ними музыку. Видео также включает в себя несколько крутых демонстраций (например, превращение куска алюминия в плазму, и пуф!).

    Катушка Тесла Осторожно

    Если вы наблюдаете за людьми, работающими с катушками Тесла, у них всегда есть металлическая клетка, забор, металлический пол или потолок; это создает место с более высокой разностью потенциалов, чем места, в которые вы не хотите ударять.

    Это похоже на то, что это не самое высокое сооружение во время грозы, но это также связано с проводимостью объекта. Чем более проводящий объект, тем легче по нему перемещаются находящиеся в нем электроны.

    Металлы обладают высокой проводимостью и легко перемещают электроны. Когда заряд накапливается на полом металлическом контейнере или металлической сетке, заряд имеет тенденцию оставаться на поверхности и равномерно распределяться, так что поверхность является эквипотенциальной поверхностью, сохраняя внутреннюю часть проводника без разности потенциалов на нем. .

    Это означает, что через середину не может течь ток, и она становится безопасной зоной. Если в металлический контейнер или сетку попадает молния, она быстро распределяет заряд по поверхности, чтобы поддерживать эквипотенциальную поверхность.Опять же, это создает безопасную зону без разности потенциалов внутри. Ее часто называют клеткой Фарадея.

    Итак, если вы когда-нибудь попадете на улицу во время сильной грозы, садитесь в машину; из него получится отличная клетка Фарадея. А если вам вдруг захочется взаимодействовать с парой катушек Теслы, лучше всего находиться внутри металлического костюма. Взгляните на очень крутой дизайн, созданный Анук Виппрехт, с проводящими поверхностями и плазменными шарами на плечах!

    Что дальше?

    Анук Виппрехт 5 — дизайнер высоких технологий, которая создала такие невероятные наряды, как платья, которые испускают дым, когда кто-то входит в ваше личное пространство, наряды с роботизированными рукавами, похожими на паучьи ноги, платья, которые меняются в зависимости от частоты сердечных сокращений владельца, и более.

    ArcAttack продолжает гипнотизировать публику своей высокотехнологичной музыкой, созданной их «молниеносными» ударами катушки Тесла и их роботом-барабанщиком. Они также занимаются просветительскими проектами.

    Тем временем идеи Теслы были пересмотрены, изменены и применены к беспроводной зарядке 1 , беспроводной передаче информации и многому другому. 2

    Ссылки и ресурсы

    1. Досс, Х.М., Электрические автобусы с беспроводной зарядкой, Physics Central, Physics in Action, октябрь 2012 г.
    http://www.physicscentral.com/explore/action/electric-bus.cfm

    2. Документальный фильм PBS о Николе Тесле: Тесла, Мастер молнии, PBS America
    https://www.youtube.com/watch?v=Ccx4X5ecTvA

    3. Википедия, катушки Тесла
    http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_coil

    4. Веб-сайт ArcAttack
    http://www.arcattack.com

    Веб-сайт

    5. Анукс http://www.anoukwipprecht.nl

    HM Досс

    ГЛАВА-7

    ГЛАВА-7

    Глава 7

    ЯМР ОБОРУДОВАНИЕ



    Обзор оборудования

    Графическое окно отображает схематическое изображение основных систем спектрометра ядерного магнитного резонанса и нескольких основных взаимосвязей.В этом обзоре кратко указывается функция каждого компонента. Некоторые из них будут подробно описаны далее в этой главе.

    В верхней части схемы вы найдете сверхпроводящий магнит ЯМР-спектрометра. Магнит производит B o поле, необходимое для ЯМР-экспериментов. Непосредственно внутри отверстия магнита находятся регулировочные катушки для гомогенизации поля B или . Внутри прокладочных катушек находится датчик. Зонд содержит радиочастотные катушки для создания магнитного поля B 1 , необходимого для поворота спинов на 90 o или 180 o .РЧ-катушка также обнаруживает сигнал от спинов внутри образца. Образец помещается в РЧ-катушку зонда. Некоторые датчики также содержат набор градиентных катушек. Эти катушки создают градиент в B o по осям X, Y или Z. Градиентные катушки используются для спектроскопии с градиентным усилением (см. главу 11), диффузии (см. главу 11) и ЯМР-микроскопии. (См. главу 11.) эксперименты.

    Сердцем спектрометра является компьютер. Он управляет всеми компонентами спектрометра.ВЧ-компонентами, управляемыми компьютером, являются источник ВЧ-частоты и программатор импульсов. Источник производит синусоиду нужной частоты. Программатор импульсов устанавливает ширину, а в некоторых случаях и форму радиочастотных импульсов. ВЧ-усилитель увеличивает мощность импульсов с милливатт до десятков и сотен ватт. Компьютер также управляет программатором градиентных импульсов, который задает форму и амплитуду градиентных полей. Градиентный усилитель увеличивает мощность градиентных импульсов до уровня, достаточного для управления градиентными катушками.

    Оператор спектрометра вводит данные в компьютер через консольный терминал с помощью мыши и клавиатуры. Некоторые спектрометры также имеют отдельный небольшой интерфейс для выполнения некоторых наиболее рутинных процедур на спектрометре. Последовательность импульсов выбирается и настраивается с консольного терминала. Оператор может просматривать спектры на видеодисплее, расположенном на консоли, и может распечатывать спектры на принтере.

    В следующих разделах этой главы более подробно рассматриваются магнит, стопорные, регулировочные катушки, градиентные катушки, РЧ-катушки и РЧ-детектор спектрометра ядерного магнитного резонанса.

    Магнит

    ЯМР-магнит, пожалуй, самая важная часть ЯМР-спектрометра. Магнит ЯМР является одним из самых дорогих компонентов системы спектрометра ядерного магнитного резонанса. Магнитная технология ЯМР претерпела значительные изменения с момента разработки ЯМР. Ранние магниты ЯМР представляли собой постоянные магниты с железным сердечником или электромагниты, создающие магнитные поля менее 1,5 Тл. Сегодня большинство ЯМР-магнитов относятся к сверхпроводящему типу. Сила поля сверхпроводящих ЯМР-магнитов варьируется примерно от 6 до 23.5 Т. На прилагаемой диаграмме показана эволюция магнитов ЯМР.

    Это изображение сверхпроводящего магнита на 7,0 Тесла из ЯМР-спектрометра. Сверхпроводящий магнит имеет электромагнит, изготовленный из сверхпроводящего провода. Сверхпроводящий провод имеет сопротивление, приблизительно равное нулю, когда его охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273,15 o С или 0 К) путем погружения его в жидкий гелий. Как только в катушке возникает ток, он будет продолжать течь до тех пор, пока катушка поддерживается при температуре жидкого гелия.(Некоторые потери происходят со временем из-за бесконечно малого сопротивления катушки. Эти потери могут составлять порядка одной промилле основного магнитного поля в год.)

    Длина сверхпроводящего провода в магните обычно составляет несколько миль. Сверхпроводящие элементы провода изготовлены из (NbTaTi) 3 Sn. Этот материал хрупкий, поэтому для прочности его заделывают в медь. Cu имеет высокое сопротивление по сравнению со сверхпроводником, по которому течет ток.Провод имеет прямоугольное поперечное сечение, чтобы обеспечить максимальную плотность тока и, следовательно, максимальное магнитное поле. Этот провод намотан на многовитковый соленоид или катушку. Катушку с проволокой поддерживают при температуре 4,2 К или ниже, погружая ее в жидкий гелий. Катушка и жидкий гелий хранятся в большом сосуде Дьюара. Этот дьюар обычно окружен дьюаром с жидким азотом (77,4 К), который действует как тепловой буфер между воздухом комнатной температуры (293K) и жидким гелием.Более длительное время выдержки жидкого гелия может быть достигнуто путем вставки теплового резервуара между жидким гелием и жидким азотом, температура которого ниже, чем у жидкого азота. Обычно это реализуется в виде банки, окружающей резервуар с жидким гелием. Банку прикрепляют к трубам для заполнения жидкостью. Эти трубы имеют температурный градиент 4,2К в жидком гелии и комнатную температуру снаружи магнита. Производственный трюк заключается в том, чтобы прикрепить их в точке вдоль труб, где температура находится на полпути между 4.2 и 77,4К, тем самым придавая банке нужную температуру. Поперечное сечение сверхпроводящего магнита, изображающее концентрические сосуды Дьюара, можно найти в окне анимации. Большинство современных ЯМР-магнитов представляют собой экранированные магниты. Эти магниты имеют дополнительную сверхпроводящую катушку за пределами основной катушки, которая компенсирует большую часть краевого поля от основной катушки. Как следствие, поле рассеяния вне магнита очень мало. Наличие небольшого краевого поля становится важным в магнитах с более сильным полем, где вопросы безопасности становятся более важными.

    На следующем изображении показан фактический вид сверхпроводящего магнита в разрезе. Магнит поддерживается тремя ножками, а концентрические азотные и гелиевые сосуды Дьюара поддерживаются стопками, выходящими из верхней части магнита. Отверстие с комнатной температурой проходит через центр сборки. Пробоотборный зонд и регулировочные катушки расположены в этом отверстии. На этом рисунке также изображен датчик уровня жидкого азота, электронный блок для контроля уровня жидкого азота.

    Переходя от внешней стороны магнита внутрь, мы видим вакуумную область, за которой следует резервуар с жидким азотом. Вакуумная область заполнена несколькими слоями отражающей майларовой пленки. Функция майлара состоит в том, чтобы отражать тепловые фотоны и, таким образом, уменьшать попадание тепла в магнит. Во внутренней стенке резервуара с жидким азотом мы видим еще один вакуум, заполненный каким-то отражающим майларом. Далее следует резервуар с жидким гелием.В этом резервуаре находится сверхпроводящий соленоид или катушка провода.

    Присмотревшись к соленоиду, можно ясно увидеть катушку и внутреннюю трубку, проходящую через магнит.

    Многие магниты ЯМР, которые работают в очень высоких полях, используют охлаждение Джоуля-Томсона (ДжТ) для снижения температуры жидкого гелия ниже 4,2 К. Из-за более низкой температуры (~ 2 К) через сверхпроводящий провод может проходить больший ток и, таким образом, достигается более высокое значение магнитного поля в магните.

    Полевой замок

    Чтобы получить ЯМР-спектр образца с высоким разрешением, особенно тот, для которого требуется усреднение сигнала или фазовое циклирование, необходимо иметь постоянное во времени и однородное в пространстве магнитное поле. Здесь будет обсуждаться согласованность поля B o во времени; Однородность будет обсуждаться в следующем разделе этой главы. Напряженность поля может изменяться со временем из-за старения магнита, перемещения металлических предметов вблизи магнита и колебаний температуры.Вот пример однолинейного ЯМР-спектра циклогексана, записанного в то время, когда магнитное поле B o дрейфовало на очень значительную величину. Блокировка поля может компенсировать эти изменения.

    Блокировка поля — это отдельный ЯМР-спектрометр внутри вашего спектрометра. Этот спектрометр обычно настроен на резонансную частоту ЯМР дейтерия. Он постоянно отслеживает резонансную частоту сигнала дейтерия и вносит незначительные изменения в B o магнитное поле для поддержания постоянной резонансной частоты.Сигнал дейтерия исходит от растворителя дейтерия, используемого для приготовления образца. Окно анимации содержит графики фиксирующей частоты резонанса дейтерия, небольшого дополнительного магнитного поля, используемого для корректировки фиксирующей частоты, и результирующего поля B o в зависимости от времени при дрейфе магнитного поля. График частоты блокировки отображает частоту без коррекции. В действительности эта частота будет поддерживаться постоянной за счет применения фиксирующего поля, которое компенсирует дрейф.

    На большинстве ЯМР-спектрометров дейтериевый замок выполняет вторую функцию. Он предоставляет ссылку =0. Резонансная частота сигнала дейтерия во многих замковых растворителях хорошо известна. Поэтому также известна разница в резонансной частоте растворителя замка и ТМС. Как следствие, TMS не нужно добавлять в выборку для установки =0; спектрометр может использовать частоту блокировки для расчета =0.

    Катушки регулировочной прокладки

    Назначение шиммирующих катушек на спектрометре состоит в том, чтобы скорректировать незначительные пространственные неоднородности в спектре. B o магнитное поле.Эти неоднородности могут быть вызваны конструкцией магнита, материалами зонда, изменениями толщины трубки для образца, проницаемостью образца и ферромагнитными материалами вокруг магнита. Регулировочная катушка предназначена для создания небольшого магнитного поля, которое противостоит и компенсирует неоднородность в B o магнитное поле. Поскольку эти вариации могут существовать в различных функциональных формах (линейные, параболические и т. д.), необходимы регулировочные катушки, которые могут создавать различные противоположные поля.Некоторые из функциональных форм перечислены в таблице ниже. Функциональные формы регулировочной катушки

    При пропускании соответствующего количества тока через каждую катушку однородный B o магнитное поле может быть достигнуто. Оптимальные настройки тока шиммирования находятся путем минимизации ширины линии, максимального размера ПИД или максимального сигнала от полевого захвата. На большинстве спектрометров регулировочные катушки управляются компьютером. Перед компьютерным алгоритмом стоит задача найти наилучшее значение прокладки путем максимизации сигнала блокировки.

    Пробоотборник

    Зонд пробы — это название, данное той части спектрометра, которая принимает пробу, посылает радиочастотную энергию в пробу и обнаруживает сигнал, исходящий от пробы. Он содержит РЧ-катушку, центрифугу для образцов, схему контроля температуры и градиентные катушки. ВЧ-катушка и градиентная катушка будут описаны в следующих двух разделах. Здесь будут описаны центрифуга для образцов и схема управления температурой.

    Назначение вращателя образца состоит в том, чтобы вращать пробирку для образца ЯМР вокруг своей оси.При этом каждый спин в образце, находящийся в заданном положении по оси Z и радиусе от оси Z, будет испытывать среднее магнитное поле в окружности, определяемой этим Z и радиусом. Чистый эффект заключается в более узкой спектральной ширине линии. Чтобы оценить это явление, рассмотрим следующие примеры.

    Изобразите осевое сечение цилиндрической трубки, содержащей образец. В очень однородном магнитном поле B o этот образец дает узкий спектр.В более неоднородном поле образец будет давать более широкий спектр из-за наличия линий от частей образца, испытывающих различные магнитные поля B o . При вращении образца вокруг оси z неоднородности в направлениях X и Y усредняются, а ширина линии ЯМР становится уже.

    Многим ученым необходимо исследовать свойства своих образцов в зависимости от температуры. В результате многие приборы способны поддерживать температуру образца выше и ниже комнатной температуры.Нагретый или охлажденный воздух или азот пропускают над образцом, чтобы нагреть или охладить образец. Температура на образце контролируется с помощью термопары, а электронная схема поддерживает температуру, увеличивая или уменьшая температуру газа, проходящего над образцом. Более подробная информация по этой теме будет представлена ​​в главе 8.

    Радиочастотные катушки

    ВЧ катушки создайте поле B 1 , которое вращает результирующую намагниченность в последовательности импульсов.Они также обнаруживают поперечную намагниченность по мере ее прецессии в плоскости XY. Большинство РЧ-катушек на ЯМР-спектрометрах имеют конструкцию седловой катушки. и действовать как передатчик поля B 1 и приемник радиочастотной энергии от образца. Вы можете найти одну или несколько радиочастотных катушек в зонде.

    Каждая из этих радиочастотных катушек должна резонировать, то есть они должны эффективно накапливать энергию на ларморовской частоте ядра, исследуемого с помощью ЯМР-спектрометра. Все катушки ЯМР состоят из индуктора или индуктивных элементов и набора емкостных элементов.Резонансная частота ВЧ-катушки определяется индуктивностью (L) и емкостью (C) цепи конденсатора индуктора.

    ВЧ-катушки, используемые в ЯМР-спектрометрах, необходимо настраивать для конкретного исследуемого образца. РЧ-катушка имеет полосу пропускания или определенный диапазон частот, в которых она резонирует. Когда вы помещаете образец в ВЧ-катушку, проводимость и диэлектрическая проницаемость образца влияют на резонансную частоту. Если эта частота отличается от резонансной частоты ядра, которое вы изучаете, катушка не сможет ни эффективно настроить поле B 1 , ни эффективно обнаружить сигнал от образца.Вы будете вращать чистую намагниченность на угол меньше 90 градусов, когда вы думаете, что вращаетесь на 90 градусов. Это создаст меньшую поперечную намагниченность и меньший сигнал. Кроме того, поскольку катушка не будет эффективно обнаруживать сигнал, отношение сигнал/шум будет низким.

    Поле ВЧ катушки B 1 должно быть перпендикулярно B o магнитное поле. Еще одно требование к РЧ-катушке в ЯМР-спектрометре заключается в том, что поле B 1 должно быть однородным по всему объему образца.Если это не так, вы будете вращать спины по распределению углов вращения и получать странные спектры.

    Градиентные катушки

    Градиентные катушки создают градиенты в магнитном поле B o , необходимые для проведения спектроскопии с усилением градиента, диффузионных измерений и ЯМР-микроскопии. Градиентные катушки расположены внутри радиочастотного зонда. Не все датчики имеют градиентные катушки, и не все ЯМР-спектрометры имеют оборудование, необходимое для управления этими катушками.

    Градиентные змеевики представляют собой змеевики с комнатной температурой (, т.е. не требуют охлаждения криогенами для работы), которые благодаря своей конфигурации создают желаемый градиент. Поскольку сверхпроводящий магнит с вертикальным отверстием является наиболее распространенным, для этого магнита будет описана система градиентной катушки.

    Если принять стандартную магнитно-резонансную систему координат, градиент в B o в направлении Z достигается катушкой типа антигельмгольца.Ток в двух катушках течет в противоположных направлениях, создавая градиент магнитного поля между двумя катушками. Поле B в центре одной катушки добавляется к B или . поле, в то время как поле B в центре другой катушки вычитается из Поле B или .

    Градиенты X и Y в поле B o создаются парой катушек восьмерка . По оси X фиг.8 катушки создают градиент в B o в направлении X из-за направления тока через катушки.По оси Y фиг.8 катушек обеспечивает аналогичный градиент B o по оси Y.

    Квадратурный детектор

    Квадратурный детектор это устройство, которое отделяет M x’ и М и сигналы от сигнала от РЧ катушки. По этой причине его можно рассматривать как преобразователь лаборатории во вращающуюся систему отсчета. Сердцем квадратурного детектора является устройство, называемое смесителем с двойной балансировкой.Микшер с двойной балансировкой имеет два входа и один выход. Если входными сигналами являются Cos(A) и Cos(B), выход будет 1/2 Cos(A+B) и 1/2 Cos(A-B). По этой причине устройство часто называют детектором произведения, поскольку произведение Cos(A) и Cos(B) является выходным сигналом.

    Квадратурный детектор обычно содержит два смесителя с двойной балансировкой, два фильтра, два усилителя и фазовращатель 90 o . Устройство имеет два входа и два выхода.Частота и или вводятся и М X’ и М Y’ выходят компоненты поперечной намагниченности. С этим устройством могут возникнуть некоторые потенциальные проблемы, вызывающие артефакты в спектре. Один называется артефактом смещения постоянного тока, а другой называется квадратурным артефактом.

    Цифровая фильтрация

    Многие новые спектрометры используют комбинацию избыточной дискретизации, цифровой фильтрации и прореживания для устранения артефактов зацикливания.Передискретизация создает большую ширину спектра или развертки, но создает слишком много данных для удобного хранения. Цифровая фильтрация удаляет из данных высокочастотные компоненты, а прореживание уменьшает размер набора данных. Следующая блок-схема суммирует результаты трех шагов, показывая результат выполнения FT после каждого шага.

    Давайте более подробно рассмотрим передискретизацию, цифровую фильтрацию и прореживание, чтобы увидеть, как эта комбинация шагов может быть использована для уменьшения проблемы зацикливания.

    Передискретизация — это оцифровка сигнала во временной области на частоте, намного превышающей необходимую для записи желаемой ширины спектра. Например, если частоту дискретизации f s увеличить в 10 раз, ширина развертки будет в 10 раз больше, что устраняет зацикливание. К сожалению, оцифровка с 10-кратной скоростью также увеличивает объем необработанных данных в 10 раз, что увеличивает требования к хранению и время обработки.

    Фильтрация — это удаление выбранной полосы частот из сигнала.В качестве примера фильтрации рассмотрим следующий сигнал в частотной области. Частоты выше fo могут быть удалены из этого сигнала частотной области путем умножения сигнала на эту прямоугольную функцию. В ЯМР этот шаг был бы эквивалентен выбору спектра с большой шириной развертки и установке нулевой интенсивности для тех спектральных частот, которые находятся дальше некоторого расстояния от центра спектра.

    Цифровая фильтрация — это удаление этих частот с использованием сигнала во временной области.Отзыв от Глава 5 что если две функции умножаются в одном домене (, т.е. частота), мы должны свернуть FT двух функций вместе в другом домене (, т.е. время). Чтобы отфильтровать частоты выше fo из сигнала во временной области, сигнал должен быть свернут с преобразованием Фурье прямоугольной функции, функции sinc. (См. главу 5.) Этот процесс исключает частоты выше fo из сигнала во временной области.Преобразование Фурье результирующего сигнала во временной области дает сигнал в частотной области без более высоких частот. В ЯМР этот шаг удалит спектральные компоненты с частотами выше +f o и ниже -f o .

    Прореживание — это удаление точек данных из набора данных. Коэффициент прореживания 4/5 означает, что 4 из каждых 5 точек данных удаляются или каждая пятая точка данных сохраняется. Прореживание приведенных выше данных, отфильтрованных в цифровом виде, с последующим преобразованием Фурье уменьшит набор данных в пять раз.

    Для реализации этой процедуры используются высокоскоростные дигитайзеры, способные оцифровывать на частоте 2 МГц, и специальные высокоскоростные интегральные схемы, способные выполнять свертку данных во временной области по мере их записи.

    Безопасность

    Есть несколько важных соображений безопасности, с которыми следует ознакомиться перед использованием ЯМР-спектрометра. Они касаются использования сильных магнитных полей и криогенных жидкостей.

    Магнитные поля от магнитов с высоким полем могут буквально подхватывать и втягивать ферромагнитные предметы в отверстие магнита.Необходимо соблюдать осторожность, чтобы все ферромагнитные предметы не находились рядом с магнитом, поскольку они могут серьезно повредить магнит, регулировочные катушки и зонд. Сила, действующая на концентрические криогенные сосуды Дьюара внутри магнита со стороны большого металлического предмета, прилипшего к магниту, может сломать сосуды Дьюара и опоры магнитов. Кинетическая энергия объекта, засасываемого магнитом, может разбить дьюар или электрический разъем зонда. Маленькие ферромагнитные объекты вызывают такое же беспокойство, как и более крупные. Небольшая металлическая щепка может попасть в отверстие магнита и нарушить однородность магнита, достигнутую с помощью набора настроек прокладок.

    Есть дополнительные опасения относительно влияния магнитных полей на электронные схемы, особенно на кардиостимуляторы. Человек с кардиостимулятором, проходящий через сильное магнитное поле, может индуцировать токи в цепи кардиостимулятора, что приведет к его отказу и, возможно, смерти. Человек с кардиостимулятором не должен случайно попасть в магнитное поле с силой в пять и более гаусс. Хотя это не так важно, как кардиостимулятор, механические часы и некоторые цифровые часы также подвержены влиянию магнитных полей.Магнитные поля примерно в 50 Гс сотрут кредитные карты и магнитные носители информации.

    Жидкий азот и жидкий гелий, используемые в ЯМР-спектрометрах, имеют температуру 77,4 К и 4,2 К соответственно. Эти жидкости могут вызвать обморожение, что не является проблемой, если вы не заполняете магнит. Если вы заполняете магнит или работаете со спектрометром, удушье — еще одна проблема, о которой вам нужно знать. Если магнит погаснет или внезапно перестанет быть сверхпроводником, он быстро испарит все свои криогены, а газы азота и гелия в замкнутом пространстве могут вызвать удушье.


    Перейти к: [следующая глава | начало главы | предыдущая глава | обложка ]

    Copyright © 1997-2017 J.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.