§25. Электромагнитная индукция. Индуктивность 357

Внося выражение силы тока / под знак интеграла и интегрируя от 0 до оо (при t -> оо I -> 0), получим

оо

Q = Jloexp (~jt\dt = /о/ехр (~t\dt =

ЛФ At

А{Ы) At

Подставим пределы интегрирования и определим количество элек-тричества, протекающее через обмотку:

Вынося постоянную величину L за знак приращения, получим

е- L—

Опустив знак минус в этом равенстве (направление ЭДС в данном случае несущественно) и выразив интересующую нас величину — индуктив¬ность, получим

Г —

Д//Д4"

Сделав вычисления по этой формуле, найдем

L = 1,6 мГн.

Пример 5. Обмотка соленоида состоит из одного слоя плотно при-легающих друг к другу витков медного провода диаметром d = 0,2 мм. Диаметр D соленоида равен 5 см. По соленоиду течет ток / = 1 А. Опре-делить количество электричества Q, протекающее через обмотку, если концы ее замкнуть накоротко. Толщиной изоляции пренебречь.

Решение. Возможны два способа решения.

1-й способ. Количество электричества dQ, которое протекает по про-воднику за время dt при силе тока /, определяется равенством

(6)

= Idt.

Полное количество электричества, протекающее через проводник за

t время t, будет Q = f Idt. Сила тока в данном случае убывает экспонен-

о циально со временем и выражается формулой

/ = 10 ехр ( -

) Сравните с предыдущим примером.

10

2-й способ. Подставив в формулу (6) вместо силы тока / выражение ее через ЭДС индукции & и сопротивление R соленоида, т.е. / = £i/R,

найдем dQ = -j dt.

Но £i связана со скоростью изменения потокосцепления Ф по закону Фарадея-Максвелла: & = — с1Ф/с1£, тогда

Интегрируя, получаем

Q = -

(8)

Ф2-Ф1

R '

Потокосцепление Ф пропорционально силе тока в соленоиде. Следо-вательно, Ф1 = Ыо; Ф2 = 0, так как Ф2 соответствует тому моменту, когда ток в цепи обратится в нуль. Подставив выражения Ф1 и Ф2 в формулу (8), получим Q = Ф1/Д, или

4 R '

что совпадает с формулой (7).

Для определения заряда, протекающего через обмотку соленоида, следует найти индуктивность L соленоида и сопротивление R обмотки соленоида, которые выражаются формулами

r_N\_ wd\N\ I Apt

где цо — магнитная постоянная; N — число витков; 1\ — длина соле¬ноида; S\ — площадь сечения соленоида; р — удельное сопротивление провода; / — длина провода; 5 — площадь сечения провода; d — диаметр провода; di — диаметр соленоида.

358

Гл. 5. Электромагнетизм

§ 25. Электромагнитная индукция. Индуктивность

359

Подставив найденные выражения L и R в формулу (7), получим

* R 4h-4pl

_

Заметим, что длина провода I может быть выражена через диаметр d\ сфленоида соотношением I = irdiN, где N — число витков, тогда формуле (9) можно придать вид

°"

_

16pii

° ~

Но /i/Л^ есть диаметр провода, так как витки плотно прилегают друг к другу. Следовательно,

(10)

Q =

Произведя вычисления по формуле (10), получим

Q = 363 мкКл.

ЗАДАЧИ

Работа по перемещению проводника11) в магнитном поле

25.1. В однородном магнитном поле с индукцией В = 0,01 Тл

находится прямой провод длиной I = 8 см, расположенный перпен¬

дикулярно линиям индукции. По проводу течет ток / = 2 А. Под

действием сил поля провод переместился на расстояние s = 5 см.

Найти работу А сил поля.

25.2. Плоский контур, площадь S которого равна 300 см2, на¬

ходится в однородном магнитном поле с индукцией В — 0,01 Тл.

Плоскость контура перпендикулярна линиям индукции. В контуре

поддерживается неизменный ток / = 10 А. Определить работу А

внешних сил по перемещению контура с током в область простран¬

ства, магнитное поле в которой отсутствует.

25.3. По проводу, согнутому в виде квадрата со стороной длиной

а = 10 см, течет ток I = 20 А, сила которого поддерживается неиз-

менной. Плоскость квадрата составляет угол а = 20° с линиями

индукции однородного магнитного поля (В = 0,1 Тл). Вычислить

работу А, которую необходимо совершить для того, чтобы удалить

провод за пределы поля.

11) Перемещение проводника или контура с током в магнитном поле считать настолько медленным, что возникающими индукционными тоьами можно пре-небречь.

25.4. По кольцу, сделанному из тонкого гибкого провода ради¬усом R = 10 см, течет ток / = 100 А. Перпендикулярно плоскости кольца возбуждено магнитное поле с индукцией В = 0,1 Тл, по направлению совпадающей с индукцией В\ собственного магнит¬ного поля кольца. Определить работу А внешних сил, которые, действуя на провод, деформировали его и придали ему форму ква¬драта. Сила тока при этом поддерживалась неизменной. Работой против упругих сил пренебречь.

25.5(1). Виток, по которому течет ток / = 20 А, свободно уста-новился в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,016 Тл. Диаметр d витка равен 10 см. Определить работу А, которую нужно совершить, чтобы повернуть виток на угол а = 7г/2 относи¬тельно оси, совпадающей с диаметром. То же, если угол а = 27г.

25.5(2). Квадратная рамка со стороной а = 10 см, по которой течет ток / = 200 А, свободно установилась в однородном магнит¬ном поле (В = 0,2 Тл). Определить работу, которую необходимо совершить при повороте рамки вокруг оси, лежащей в плоскости рамки и перпендикулярной линиям магнитной индукции, на угол 6> = 2тг/3.

Электродвижущая сила индукции

25.6. Магнитный поток Ф = 40мВб пронизывает замкнутый

контур. Определить среднее значение ЭДС индукции (£г), возни¬

кающей в контуре, если магнитный поток изменится до нуля за

время At = 2-10~3с.

25.7. Прямой провод длиной I = 40 см движется в однородном

магнитном поле со скоростью v = 5 м/с перпендикулярно линиям

индукции. Разность потенциалов U между концами провода равна

0,6 В. Вычислить индукцию В магнитного поля.

25.8. В однородном магнитном поле с индукцией В = 1Тл

находится прямой провод длиной I = 20 см, концы которого за¬

мкнуты вне поля. Сопротивление R всей цепи равно 0,1 Ом. Найти

силу F, которую нужно приложить к проводу, чтобы перемещать

его перпендикулярно линиям индукции со скоростью v = 2,5 м/с.

25.9. Прямой провод длиной I = 10 см помещен в однородном

магнитном поле с индукцией В = 1 Тл. Концы его замкнуты

гибким проводом, находящимся вне поля. Сопротивление R всей

цепи равно 0,4 Ом. Какая мощность Р потребуется для того, чтобы

двигать провод перпендикулярно линиям индукции со скоростью

v = 20 м/с?

25.10. К источнику тока с ЭДС Е = 0,5 В и ничтожно ма¬

лым внутренним сопротивлением присоединены два металличе¬

ских стержня, расположенные горизонтально и параллельно друг

другу. Расстояние / между стержнями равно 20 см. Стержни нахо-

360

Гл.5. Электромагнетизм