2. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Самоиндукция - частный случай электромагнитной индукции. Если в контуре изменить силу тока (например, при замыкании или размыкании цепи), то изменится индукция, созданного током магнитного поля, что вызовет изменение магнитного потока. Магнитный поток пронизывает не только другие контуры, но и тот контур, ток в котором создает это магнитное поле. Поэтому в контуре возникает индукционный ток. ЭДС, возникающую в контуре, называют ЭДС самоиндукции. Магнитный поток Ф пропорционален индукции магнитного поля В, магнитная индукция пропорциональна силе тока, значит магнитный поток, созданный током пропорционален силе тока Т.е. Ф=L·I

Коэффициент пропорциональности L между магнитным потоком Ф и силой тока I называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Закон электромагнитной индукции для случая самоиндукции будет иметь вид:

, ( Генри)

В результате самоиндукции при замыкании цепи сила тока в соленоиде будет нарастать постепенно, поэтому не сразу достигнет максимального значения. При размыкании цепи возникает индукционный ток, направление которого совпадает с направлением тока источника, что может вызвать разрушение цепи. Из-за самоиндукции электродвигатели и любые потребители, содержащие катушки индуктивности отключают от сети медленно с помощью специальных реостатов. Индуктивность зависит от формы и размеров контура и от магнитных свойств среды, в которой находится контур. Индуктивность прямого провода небольшая, поэтому обычно не учитывается. Индуктивность соленоида может быть очень большой. Если в контуре индуктивностью L течет ток I, то в момент размыкания цепи возникает индукционный ток и этим током совершается работа, за счет энергии исчезающего магнитного поля. Энергия магнитного поля превращается главным образом в энергию электрического поля, за счет которой происходит нагревание проводника. Уменьшение энергии магнитного поля по закону сохранения энергии будет равно работе, совершаемой током, это позволяет вывести формулу для нахождения энергии магнитного поля. Для контура любой формы энергию магнитного поля можно рассчитывать по формуле: W= .

3. Задача.

а) Тело, массой 3 кг падает в воздухе с ускорением 8 м/с². Найти силу сопротивления воздуха.

Дано:

Решение. На свободно падающее тело действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха, направленные в противоположные стороны. Равнодействующая этих сил определяет ускорение тела, т.е.

б) Деревянный брусок массой 2 кг тянут равномерно по деревянной доске, расположенной горизонтально, с помощью пружины жесткостью 100 Н/м. Коэффициент трения бруска по доске 0,3. Найти удлинение пружины.

Дано:

Решение. На брусок действуют сила трения Fтр = и сила упругости пружины .

Билет № 23

1. Кпд тепловых двигателей. Второе начало термодинамики.

Эффективность работы любой машины характеризуют коэффициентом полезного действия , где А – работа двигателя, Q₁ – количество теплоты, полученной от нагревателя, Q₂ – количество теплоты, переданной холодильнику.

Решая вопрос о КПД тепловых машин, французский инженер Сади Карно доказал, Что максимальное КПД можно получить при обратимом цикле, состоящем из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных процессов, чередующихся между собой. В идеальной тепловой машине, работающей по циклу Карно, отсутствуют всякие потери энергии. Используя первое начало термодинамики для изотермического и адиабатного процессов, можно доказать, что КПД цикла Карно зависит только от температуры нагревателя Т₁ и холодильника Т₂ и не зависит от конструкции машины и вида топлива . Реальные тепловые машины с температурой нагревателя Т₁и холодильника Т₂ не могут иметь КПД большей, чем КПД цикла Карно.

Теоретически КПД тепловой машины может быть равным единице, или 100%, если температура холодильника окажется равной 0 К, практически это невозможно, поэтому КПД тепловой машины всегда меньше единицы, или меньше 100% ( кпд двигателей внутреннего сгорания 25 %- 32%, паровых турбин около 40%, только у газовых турбин может быть больше 60%).

Многие процессы, не происходящие в природе не противоречат первому закону термодинамики, например, самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Т.е первого начала термодинамики недостаточно для описания всех тепловых процессов. Направление протекания тепловых процессов определяет второе начало термодинамики. Существует несколько формулировок второго начала термодинамики.

Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно осуществить переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому без каких- либо других изменений в самой термодинамической системе или в окружающей среде.

Формулировка М. Планка: в циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование всего количества теплоты, полученной от нагревателя в механическую работу.