6.2. Задачи качественного характера

Задача 73.

В электрической цепи салона троллейбусов используются лампы (рисунок 31). В результате аварийного повреждения сети подача тока прекращается. Объясните работу цепи в аварийном режиме.

Рисунок 31 Электрическая цепь салона троллейбуса

Если электродвигатель включен в сеть, то ток проходит через обмотку электромагнита К, который, притягивая якорь М, размыкает цепь аккумулятора. При прекращении тока якорь М отпадает, замыкая цепь аккумуляторной батареи, и лампы загораются.

Задача 74.

Как действует указатель уровня бензина в баке автомобиля (рисунок 32)? Что произойдет со стрелкой, если уровень бензина в баке понизится?

Решение: Поплавковый датчик, используемый для контроля уровня бензина в автомобиле, служит для отображения двух состояний: либо есть жидкость в баке, либо ее нет. Основная функция поплавкового датчика в этих бачках – контролировать низкий уровень жидкости. На крышке бака установлены два контакта, которые замыкаются проводником на подвижном поплавке. При нормальном уровне жидкости цепь разомкнута. При понижении уровня контакты замыкаются, и на приборной панели загорается индикаторная лампа о дефиците бензина. Схема подключения предельно проста – источник питания соединен с лампой через выключатель. Роль выключателя играет поплавковый механизм.

Рисунок 32. Электрическая схема указателя бензина

1- стрелка, 2- ключ, 3-катушка, 4-катушка, 5- реостат,6-ползунок, 7- поплавок

При уменьшении уровня бензина в баке ползунок 6 реостата 5, перемещаясь влево (цепь замкнута ключом 2), «закорачивает» реостат на «массу» (движение ползунка вызывается поплавком 7, расположенным на поверхности бензина). При этом катушка 4 теряет свои магнитные свойства, и стрелка 1 притягивается к катушке 3. При положении «пусто в баке» стрелка будет находиться в крайнем левом положении, где и отмечен нуль шкалы.

Задача 75.

На шлифовальных станках для обработки стальных деталей вместо механического держателя применяется электромагнитный. В чем его преимущество?

Решение: Шлифование состоит в том, что шлифовальный круг, вращаясь вокруг своей оси, снимает тонкий слой металла. Режущая поверхность шлифовального круга, вращаясь с очень большой скоростью (90 м/с и более), срезает металл с поверхности заготовки. Магнитный держатель исключает возможность деформации деталей. Кроме того, увеличивается производительность за счет экономии времени при смене деталей.

Задача 76.

В каком месте Земли магнитная стрелка оказывается в нестабильном положении, «хаотично» отклоняется?

Решение: На Северном географическом полюсе

Задача 77.

Две одинаковые стальные полосы расположены на широте Москвы в плоскости магнитного меридиана: одна – горизонтально, другая – вертикально. С течением времени они намагничиваются.

а) какая из полос намагнитится сильнее?

б) на каком конце вертикальной полосы возникает Северный полюс и на каком Южный?

Решение: а) больше намагнитится вертикальная полоса, так как вертикальная составляющая вектора индукции магнитного поля Земли на широте Москвы больше, чем горизонтальная;

б) внизу будет находиться Северный полюс, наверху - Южный.

Задача 78.

При подготовке полетов на Северный полюс много внимания уделялось обеспечению правильной ориентации самолета вблизи полюса, так как там обыкновенные магнитные компасы практически непригодны. Почему?

Решение: Вблизи полюса мала горизонтальная составляющая вектора индукции земного магнитного поля и потому мал вращающий момент, действующий на компасную стрелку.

Задача 79.

Для гашения электрической дуги, образующейся при размыкании больших токов, вблизи рубильника располагают электромагнит так, чтобы линии магнитной индукции были перпендикулярны возникающей дуге. Почему это приводит к цели?

Решение: Ионы воздуха, образующие ток в дуге, будут отклоняться магнитным полем; дуга сместится в сторону и погаснет.

Задача 80.

В горизонтальной плоскости лежит подвижный виток из гибкой проволоки. Однородное магнитное поле направлено вертикально сверху вниз (рисунок 33). Как будут направлены силы, действующие на элементы витка, если по нему пропустить ток в направлении, указанном стрелкой? В обратном направлении? Какую форму примет виток в первом и во втором случаях?

Решение:

Рисунок 33. Виток проволоки в магнитном поле

При направлении тока, указанном стрелкой, на элементы витка будут действовать силы, растягивающие его, и виток примет форму круга. При обратном направлении тока виток сожмется и примет вид двух параллельных соприкасающихся прямых.

Задача 81.

Как взаимодействуют между собой воздушные провода, питающие двигатель троллейбуса?

Решение: Воздушные провода будут взаимодействовать с силой Ампера.

Задача 82.

Почему замкнутый подвижный проводник (рисунок 34), по которому идет ток, стремится принять форму кольца, даже если он не находится в магнитном поле?

Решение:

Рисунок 34. Замкнутый подвижный проводник в магнитном поле.

Диаметрально противоположные элементы проводника, в которых текут токи в противоположных направлениях, отталкиваются друг от друга.

Задача 83.

Почему недалеко от места удара молнии могут расплавиться предохранители в осветительной сети и повредить вблизи расположенные чувствительные электроизмерительные приборы?

Решение: Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Ток в разряде молнии достигает 10 – 300 тысяч ампер, напряжение – от десятков миллионов до миллиарда вольт. Мощность разряда – от 1 до 1000 ГВт. Магнитное поле молнии индуцирует в проводниках электроизмерительных приборов сильные направленные токи, которые повреждают приборы. Эти же токи плавят предохранители в осветительной сети. В результате разряда молнии может быть поврежден телевизор в доме или ноутбук. Не рекомендуется во время грозы пользоваться радиотелефоном.

Разряд молнии имеет электрическую природу. Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и даже контузить людей без непосредственного поражения электрическим током.

Задача 84.

Можно ли использовать разность потенциалов, возникающую между концами крыльев горизонтально летящего реактивного самолета, для измерения скорости его полета?

Решение: Если замкнуть концы крыльев на вольтметр, то получим контур, в котором, при поступательном движении самолета, магнитный поток остается постоянным и ЭДС индукции равна нулю. Наличие ЭДС можно обнаружить только при поворотах самолета (изменение угла между контуром и магнитным полем).

Задача 85.

Медицинский прибор для извлечения неферромагнитных металлических опилок из глаза пострадавшего представляет собой сильный электромагнит, питаемый переменным током. Какова должна быть зависимость силы тока, питающего электромагнит, от времени, чтобы прибор отвечал своему назначению?

Решение: Силы, действующие на металлические опилки, возникают вследствие появления в опилках индукционных токов при изменении магнитного поля электромагнита. При нарастании тока в электромагните опилки, в соответствии с правилом Ленца, будут выталкиваться из поля, а при убывании тока – притягиваться. Эти силы пропорциональны скорости изменения магнитного поля и соответственно тока. Поэтому ток в электромагните должен медленно нарастать, а затем очень быстро падать до нуля.

Задача 86.

В какой момент искрит рубильник: при замыкании или размыкании? Если параллельно рубильнику включить конденсатор, то искрение прекращается. Объясните явление.

Решение: Рубильник искрит в момент размыкания и только тогда, когда в цепи есть индуктивное сопротивление (потребитель - трансформатор, электрическая машина и т.д.). В момент включения рубильника в цепи с индуктивным сопротивлением ток растет (но не мгновенно) от нуля до максимальной величины, определяемой законом Ома, поэтому из-за малого начального тока не происходит пробивания искрой воздушного пространства между контактами рубильника. При включении рубильника в цепи происходит процесс накопления магнитной энергии в индуктивном контуре.

При размыкании рубильника происходит мгновенное изменение тока до нуля, которое вызывает в цепи с индуктивным сопротивлением такое возрастание напряжения, которое приводит к искрению. Это происходит вследствие того, что накопленная индуктивным контуром магнитная энергия превращается в ЭДС самоиндукции на контактах рубильника.

Если параллельно рубильнику включить конденсатор, то ток самоиндукции, возникающий при размыкании рубильника, заряжает конденсатор и потому не проходит в виде искры через рубильник.

Задача 87.

При электросварке применяется стабилизатор – катушка со стальным сердечником, включаемая последовательно с дугой. Почему стабилизатор обеспечивает устойчивое горение дуги?

Решение: Действие стабилизатора основано на том, что при изменениях сварочного тока в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции, противодействующая этим изменениям.

Задача 88.

В некоторых специальных радиолабораториях университета стены, пол и потолок обиты оцинкованным железом. Для чего это сделано?

Решение: Стены, пол и потолок облицовываются оцинкованным железом с целью магнитного экранирования. Магнитное экранирование (магнитная защита) – защита объекта от воздействия магнитных полей (постоянных и переменных). Создается своеобразный ферромагнитный экран – лист, цилиндр, сфера из материала с высокой магнитной проницаемостью, низкой остаточной индукцией и малой коэрцитивной силой Н_с. Принцип действия такого экрана можно проиллюстрировать на примере полого цилиндра, помещённого в однородное магнитном поле (рисунок 35). Линии индукции внешнего магнитного поля B_внеш при переходе из среды с в материал экрана заметно сгущаются, а в полости цилиндра густота линий индукции уменьшается, т. е. поле внутри цилиндра оказывается ослабленным.

Рисунок 35. Ферромагнитный экран

Задача 89.

С какой целью корпуса научно-исследовательских морских судов для изучения магнитного поля Земли изготавливают не из стали, а из дерева, и для скрепления деталей применяют винты из бронзы, латуни и других немагнитных материалов?

Решение: Очень точным измерениям магнитного поля Земли мешали бы стальные и железные предметы на судне.