Приветствую вас на канале, господа и дамы! Сегодня будет очень интересная и наглядная задачка по основам электродинамики. Теоретически, такую задачу должен решать 11-классник физико-математического лицея и студент 1-2-го курса физ-мата. Но, к сожалению, в школах и в вузах такие задачи разбирают крайне редко. Тем более на зрительном примере, в лаборатории. А ведь именно зрительное восприятие лучше всего помогает понять сущность физических явлений.
Посмотрите видео, чтобы понять суть задачи:
Какой вопрос задачи?
Просмотрите опыт на видео, а потом попробуйте объяснить почему свойства напильника изменяются в зависимости от того, каким выключателем размыкается RLC-цепь ?
Что мы имеем?
Перед вами собрана установка, электрическая схема которой показана на рисунке выше. Установка состоит из выключателя К₁, выпрямителя, состоящего из диода и системы электролитических конденсаторов (батарея конденсаторов с общей ёмкостью C), выключателя К₂ и катушки индуктивности L.
Что у нас происходит?
Первый опыт...
1. Замыкаем выключатель К₂
2. Внутрь катушки L поместим обыкновенный напильник
3. Замкнем выключатель К₁ (В этот момент по цепи начинает течь ток, катушка становится электромагнитом, намагничивает напильник, который сразу же втягивается внутрь катушки индуктивности)
4. Разомкнем выключатель К₁
5. Вынимаем напильник из катушки индуктивности, подносим его к скрепкам, но напильник НЕ притягивает скрепки.
Повторяем этот эксперимент ещё раз...
1. Помещаем напильник внутрь катушки индуктивности
2. Замкнем выключатель К₁ (В этот момент по цепи начинает течь ток, катушка становится электромагнитом, намагничивает напильник, который сразу же втягивается внутрь катушки индуктивности)
3. Но в этот раз размыкаем цепь выключателем К₂ (обратите внимание на искру, прошедшую внутри катушки, это тоже интересный и важный момент, отсылка к явлению самоиндукции и поддержанию магнитного поля, после прекращения тока через элемент с большой индуктивностью)
4. Вынимаем напильник из катушки индуктивности, подносим его к скрепкам, и в этот раз напильник притягивает скрепки.
Почему же свойства напильника изменяются в зависимости от того, каким выключателем размыкается RLC-цепь ?
Опыт 1
Секрет кроется в том, что когда мы размыкаем цепь с помощью ключа К₁ , у нас остается замкнутый LC-контур (с учётом сопротивления проводов, это RLC-контур), в котором заряжен конденсатор. Это способствует началу свободных затухающих электромагнитных колебаний. В итоге конденсатор многократно перезаряжается через катушку индуктивности, а большая часть энергии теряется в виде тепло в проводах, которые соединяются катушку с конденсатором. Поэтому, когда мы высовываем напильник, то он у нас не имеет никакой намагниченности. Потому что энергия не осталась в катушке индуктивности, а за время затухания этих колебания, напильник успел многократно перемагнитится.
Опыт 2
Когда же мы размыкаем цепь с помощью ключа К₂, то мы получаем ситуации, когда от нашей цепи полностью отключается катушка индуктивности L. Вот только что через неё шел значительный ток, а спустя мгновение она отключена. Ток начинает стремительном падать. Но, как мы помним, из явления самоиндукции следует, что ЭДС самоиндукции пропорционально скорости изменения силы тока: ε = — L ∙ dI/dt . Так как производная тока очень большая при резком отключении с помощью ключа К₂, то и ЭДС возникает очень большой. Она стремится поддержать магнитный поток, который ранее проходил через катушку индуктивности, поэтому направленна эта ЭДС всё время в одну сторону. И продолжается это до тех пор, пока вся энергия не перейдет в намагниченность напильника и в тепло провода, из которого намотана катушка индуктивности. То есть в этом случае вся энергия запасается в магнитном поле, причем напильник намагничивается только в одном направлении. Поэтому он способен притягивать скрепки, т.к. на какое-то время он стал "постоянным" магнитом. Кстати, искра во втором опыте происходит именно потому, что у нас образуется очень большая ЭДС самоиндукции, что дает высокую напряженность поля, которой достаточно для пробития воздушного зазора между проводом катушки и напильником.
Понравилась заметка? Поставьте лайк, подпишитесь на канал! Вам не сложно, а мне очень приятно :)
Если Вам нужен репетитор по физике, математике или информатике/программированию, Вы можете написать мне или в мою группу Репетитор IT mentor в VK
Библиотека с книгами для физиков, математиков и программистов
Репетитор IT mentor в VK
Репетитор IT mentor в Instagram
Репетитор IT mentor в telegram