- •Электричество и магнетизм Сборник задач по курсу общей физики
- •Предисловие
- •Глава 1. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда. Напряженность электрического поля Основные формулы
- •Примеры решения задач
- •Глава 2. Электрический диполь Основные формулы
- •Примеры решения задач
- •Глава 3. Вычисление полей с помощью теоремы Гаусса Основные формулы
- •Примеры решения задач
- •Примеры решения задач
- •Глава 4. Электрическая емкость. Конденсаторы Основные формулы
- •Глава 5. Энергия системы точечных зарядов Основные формулы
- •Примеры решения задач
- •Глава 6. Закон полного тока. Магнитный поток. Магнитные цепи. Сверхсильные магнитные поля Основные формулы и соотношения
- •Примеры решения задач
- •Глава 7. Действие магнитного поля на ток и заряд Основные формулы и соотношения
- •Примеры решения задач
- •Глава 8. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле Основные формулы и соотношения
- •Глава 9. Закон электромагнитной индукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля
- •Основные формулы и соотношения
- •Примеры решения задач
- •Глава 10. Магнитное поле в веществе. Магнитные жидкости Основные формулы и соотношения
- •Примеры решения задач
- •Глава 11. Уравнения максвелла Основные формулы и соотношения
- •Примеры решения задач
- •Заключение
Глава 9. Закон электромагнитной индукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля
Основные формулы и соотношения
Основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
,
(9.1)
где
– электродвижущая сила индукции (эдс
индукции);N
– число витков контура; Ф – магнитный
поток, пронизывающий поверхность,
ограниченную витком.
Магнитный поток Ф через плоский контур площадью S:
,
(9.2)
где
– угол между вектором нормали к плоскости
контура и вектором магнитной индукции
В.
Магнитный поток, создаваемый током
,
протекающим в контуре с
индуктивностью L:
.
(9.3)
Электродвижущая сила самоиндукции
,
возникающая в замкнутом
контуре при изменении силы тока в нем:
.
(9.4)
Индуктивность соленоида (тороида)
,
(9.5)
где
–
;
– относительная магнитная проницаемость
среды (для ферромагнетиков
зависит от напряженности магнитного
поля Н и определяется с помощью графика
рис. 9.1.);l
–
длина соленоида (средней линии кольца
тороида); S
– площадь поперечного сечения соленоида
(тороида);
– число витков, приходящихся на единицу
длины соленоида (тороида).
Мгновенное значение силы тока
в цепи, обладающей сопротивлениемR
и индуктивностью L,
после замыкания цепи:
,
(9.6)
где
–
установившееся значение силы тока в
цепи;
– время, прошедшее после замыкания
цепи.
Мгновенное значение силы тока
в цепи, обладающей сопротивлениемR
и индуктивностью L,
при размыкании цепи:
,
(9.7)
где
– время, прошедшее с момента размыкания
цепи.
Энергия магнитного поля, создаваемого током в замкнутом контуре:
.
(9.8)
Объемная плотность энергии магнитного поля длинного соленоида
,
(9.9)
где H – напряженность магнитного поля; В – индукция магнитного поля.
Примеры решения задач
Пример
1.
Проволочная рамка площадью
равномерно вращается в однородном
магнитном поле с индукцией В = 0,02 Тл
вокруг оси, перпендикулярной направлению
поля. Период вращения рамки
Т = 0,05 с.
Рамка состоит изN
= 300 витков. Определить максимальное
значение эдс, возникающей в рамке.

Дано:
![]()
![]()
![]()
N = 300 витков
![]()
Решение.
Рассмотрим
один виток рамки. При равномерном
вращении его вокруг оси
с угловой скоростью
магнитный поток, пронизывающий площадь,
ограниченную этим витком, будет непрерывно
меняться с течением времени по закону
,
где
S
– площадь рамки;
– угол между нормалью к плоскости и
вектором
.
Время
будем отсчитывать с момента, когда
.
Тогда в момент времени
t
,
следовательно,
,
а
в момент времени
![]()
.
За
промежуток времени
магнитный поток изменится на

Если
очень мало, можно считать
и
,
поэтому
.
эдс индукции в одном витке
.
(9.10)
В N витках эдс индукции будет в N раз больше, т. е.
,
или
,
где
–
максимальное (амплитудное значение эдс
индукции)
.
(9.11)
Таким образом, при равномерном вращении проводящей рамки в однородном магнитном поле в ней возникает переменная синусоидальная эдс индукции.
Подставив
в выражение (9.11)
значение угловой скорости
,
где Т–
период вращения рамки, найдем:
,
.
Ответ:
.
Заметим,
что формулу (9.10) можно получить проще,
воспользовавшись понятием производной.
Если
–
функция времени, то, как известно,
производная этой функции есть скорость
изменения ее в момент времени t.
Согласно закону электромагнитной
индукции, эдс индукции в замкнутом
контуре равна скорости изменения потока
магнитной индукции через поверхность,
ограниченную контуром. Поэтому с учетом
знака эдс индукции
,
где
–
производная функции
,
выражающей зависимость магнитного
потока от времени. Так как
,
то, взяв производную функции
по времени, получим:
.
Пример
2. На
горизонтальных проводящих стержнях
лежит металлическая перемычка массой
m
=
50 г.
Коэффициент
трения между стержнями и перемычкой
.
Стержни замкнуты на резистор сопротивлением
.
Система находится в магнитном поле,
магнитная индукция которого направлена
вертикально вверх, а ее модуль изменяется
со временем по закону
,
где
.
Определить момент времени, в который
перемычка начнет двигаться по стержню.
Геометрические размеры:
,
.
Сопротивлением перемычки и проводящих
стержней пренебречь.

Дано:
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Рис.
9.2
Решение. Проводящие стержни с резистором и перемычка образуют контур. Этот контур находится в переменном магнитном поле, поэтому в нем возникает индукционный ток. Следовательно, на перемычку будет действовать сила Ампера, модуль которой в момент времени t
,
где
– сила тока.
Кроме
того, на перемычку действуют две силы
трения, модуль каждой из которых
,
гдеN
– сила нормальной реакции стержня.
Перемычка
начнет двигаться при условии, что сумма
проекций всех сил на ось OX
равна нулю, т. е.
,
или
.
(9.12)
Чтобы
найти N,
спроецируем силы на ось OY
и составим уравнение
.
Отсюда:
.
(9.13)
Согласно
закону Ома, сила тока
,
где
– эдс индукции. По закону электромагнитной
индукции
,
где
–
изменение магнитного потока за время
.
Пусть
,
тогда
;
;
;
;
,
где
– площадь, ограниченная контуром.
Следовательно, сила тока
.
(9.14)
Подставив значения (9.13) и (9.14) в уравнение (9.12), получим:
.
Отсюда
,
.
Ответ:
.
Пример
3. Катушка
без сердечника длиной
содержитN
= 200 витков. По катушке течет ток
.
Определить объемную плотность энергии
магнитного поля.
Дано:
![]()
N = 200 витков
![]()
![]()
![]()
Решение. Объемная плотность энергии магнитного поля
,
(9.15)
где
– энергия магнитного поля (L
– индуктивность катушки);
– объем катушки (S
– площадь поперечного сечения катушки).
Индуктивность катушки
.
Подставив эти выражения в формулу (9.15), найдем искомую объемную плотность энергии магнитного поля внутри катушки:
.
Вычисляя,
получаем
.
Ответ:
.
Задачи
901.
Проволочный
виток радиусом
,
имеющий сопротивление
,
находится в однородном магнитном поле
с индукцией
В = 0,04 Тл. Плоскость
рамки составляет угол
с линиями индукции поля. Какое количество
электричества протечет по витку, если
магнитное поле исчезнет? (Ответ:q
= 10 мКл).
902.
Проволочное
кольцо радиусом
лежит на столе. Какое количество
электричества протечет по кольцу, если
его повернуть с одной стороны на другую?
Сопротивление кольцаR
= 1 Ом. Вертикальная составляющая индукции
магнитного поля Земли В = 50 мкТл. (Ответ:
).
903.
Между
полюсами электромагнита помещена
катушка, соединенная с гальванометром.
Ось катушки параллельна линиям индукции.
Катушка сопротивлением
имеетN
= 15 витков площадью
.
Сопротивление гальванометра
.
Когда ток в обмотке электромагнита
выключили, по цепи гальванометра протекло
количество электричестваq
= 90 мкКл. Вычислить магнитную индукцию
В поля электромагнита. (Ответ: В = 1,5 Тл).
904.
К
источнику тока с эдс
и ничтожно малым внутренним сопротивлением
присоединены два металлических стержня,
расположенные горизонтально и параллельно
друг к другу. Расстояние между стержнями
.
Стержни находятся в однородном магнитном
поле, направленном вертикально. Магнитная
индукция В = 1,5 Тл. По стержням под
действием сил поля скользит со скоростью
прямолинейный провод сопротивлениемR
= 0,02 Ом. Сопротивление стержней пренебрежимо
мало. Определить: 1) эдс индукции
;
2) силу тока в цепи.
(Ответ:
,
).
905.
В
однородном магнитном поле с индукцией
В = 0,4 Тл в плоскости, перпендикулярной
линиям индукции поля, вращается стержень
длиной
.
Ось вращения проходит через один из
концов стержня. Определить разность
потенциаловU
на концах стержня при частоте вращения
.
(Ответ:
).
906.
Рамка площадью
равномерно вращается с частотой
относительно оси, лежащей в плоскости
рамки и перпендикулярно линиям индукции
однородного магнитного поля (В = 0,2 Тл).
Каково среднее значение эдс индукции
за время, в течение которого магнитный
поток Ф, пронизывающий рамку, изменится
от нуля до максимального значения?
(Ответ:
).
907.
В
однородном магнитном поле с индукцией
В
= 0,35 Тл
равномерно
с частотой
вращается рамка, содержащаяN
= 500 витков, с площадью витка
.
Ось вращения лежит в плоскости рамки и
перпендикулярна линиям индукции.
Определить максимальную эдс индукции,
возникающую в рамке. (Ответ:
).
908.
Магнитная
индукция поля между полюсами двухполюсного
генератора В = 0,8 Тл. Ротор имеет N
= 1000 витков с площадью витка
.
Определить частоту вращения ротора,
если максимальное значение эдс индукции
.
(Ответ:
).
909.
Короткая
катушка, содержащая N
= 1000 витков, равномерно
вращается в однородном магнитном поле
с индукцией В = 0,04 Тл с угловой скоростью
относительно оси, совпадающей с диаметром
катушки и перпендикулярной линиям
магнитной индукции поля. Определить
мгновенное значение эдс индукции
для тех моментов времени, когда плоскость
катушки составляет угол
с линиями индукции поля. Площадь витка
катушки
.
(Ответ:
).
910.
На
картонный каркас длиной
и площадью сечения, равной
,
намотан в один слой провод диаметромd
= 0,2 мм так, что витки плотно прилегают
друг к другу. Вычислить индуктивность
получившегося соленоида. (Ответ:
).
911.
В
проволочное кольцо, присоединенное к
гальванометру, вставили прямой магнит.
По цепи протекло количество электричества
.
Определить магнитный поток Ф, пересеченный
кольцом, если сопротивление цепи
гальванометраR
= 30 Ом. (Ответ: Ф = 0,3 мВб).
912.
Соленоид, площадь сечения которого
,
содержитN
= 1200 витков. Индукция магнитного поля
внутри соленоида при силе тока
будет В = 0,01 Тл. Определить индуктивностьL
соленоида.
(Ответ:
).
913.
Соленоид
содержит N
= 1000 витков. Площадь сечения сердечника
равна
.
По обмотке течет ток, создающий поле с
индукцией
В = 1,5 Тл. Найти среднюю эдс
индукции
,
возникающей в соленоиде, если ток
уменьшится до нуля за времяt
= 500 мкс. (Ответ:
).
914.
Соленоид
диаметром d
= 4 см, имеющий N
= 500 витков, помещен в магнитное поле,
индукция которого изменяется со скоростью
.
Ось соленоида составляет с вектором
магнитной индукции угол
.
Определить эдс индукции, возникающей
в соленоиде.
(Ответ:
).
915.
В
магнитное поле, изменяющееся по закону
(
),
помещена квадратная рамка со стороной
,
причем нормаль к рамке образует с
направлением поля угол
.
Определить эдс индукции, возникающую
в рамке в момент времени
.
(Ответ:
).
916.
Кольцо
из алюминиевого провода (
)
помещено в магнитное поле перпендикулярно
линиям магнитной индукции. Диаметр
кольцаD
= 30 см, диаметр провода d
= 2 мм. Определить скорость изменения
индукции магнитного поля, если ток в
кольце
.
(Ответ:
).
917.
В
катушке длиной
,
диаметромd
= 5 см и числом витков
N
= 1500 ток равномерно увеличивается на
за одну секунду. Накатушку
надето кольцо из медной проволоки (
)
площадью сечения
.
Определить силу тока в кольце. (Ответ:
).
918.
Катушка
диаметром d
= 2 см, содержащая один слой плотно
прилегающих друг к другу N
= 500 витков алюминиевого провода сечением
,
помещена в магнитное поле. Ось катушки
параллельна линиям индукции. Магнитная
индукция поля равномерно изменяется
со скоростью
.
Определить тепловую мощность, выделяющуюся
в катушке, если ее концы замкнуть
накоротко. Удельное сопротивление
алюминия
.
(Ответ:
).
919.
В
однородном магнитном поле (
)
вращается с постоянной угловой скоростью
вокруг вертикальной оси стержень длиной
.
Определить эдс индукции, возникающей
в стержне, если ось вращения проходит
через конец стержня параллельно линиям
магнитной индукции. (Ответ:
).
920.
В
однородном магнитном поле (В = 0,2 Тл)
равномерно с частотой
вращается рамка, содержащаяN
= 1200 витков, плотно прилегающих друг к
другу. Площадь рамки
.
Ось вращения лежит в плоскости рамки и
перпендикулярна линиям магнитной
индукции. Определить максимальную эдс,
индуцируемую в рамке. (Ответ:
).
921.
Магнитная
индукции поля между полюсами двухполюсного
генератора равна В = 1 Тл. Ротор имеет N
= 140 витков, площадь каждого витка
.
Определить частоту вращения ротора,
если максимальное значение эдс индукции
равно
.
(Ответ:
).
922.
В
однородном магнитном поле (В = 0,2 Тл)
равномерно вращается прямоугольная
рамка, содержащая N
= 200 витков, плотно прилегающих друг к
другу. Площадь рамки
.
Определить частоту вращения рамки, если
максимальная эдс, индуцируемая в ней,
.
(Ответ:
).
923.
Длинный
соленоид индуктивностью
содержит
N
= 600 витков.
Площадь поперечного сечения соленоида
.
Определить магнитную индукцию поля
внутри соленоида, если сила тока,
протекающего по его обмотке,
.
(Ответ: В = 0,02 Тл).
924. Определить, сколько витков проволоки, вплотную прилегающих друг к другу, диаметром d = 0,5 мм с изоляцией ничтожной толщины надо намотать на картонный цилиндр диаметром D = 1,5 см, чтобы получить однослойную катушку индуктивностью L = 100 мкГн. (Ответ: N = 225).
925.
Через
катушку, индуктивность которой равна
L
= 200 мкГн,
протекает
ток, изменяющийся по закону
.
Определить: 1) закон изменения эдс
самоиндукции; 2) максимальное значение
эдс самоиндукции. (Ответ:
).
926.
Имеется
катушка индуктивностью
L
= 0,1 Гн
и
сопротивлением
R
= 0,8 Ом. Определить, во сколько раз
уменьшится сила тока в катушке через
,
если источник тока отключить и катушку
замкнуть накоротко. (Ответ: в 1,27 раза).
927.
Определить,
через сколько времени сила тока замыкания
достигнет 0,95 предельного значения, если
источник тока замыкают на катушку
сопротивлением R
= 12 Ом и индуктивностью L
= 0,5 Гн.
(Ответ:
).
928.
Катушку
индуктивностью
L
= 0,6 Гн
подключают
к источнику тока. Определить сопротивление
катушки, если за время
сила тока через катушку достигает 80 %
предельного значения.
(Ответ: R = 322 мОм).
929.
Соленоид
диаметром d
= 3 см имеет однослойную обмотку из плотно
прилегающих друг к другу витков
алюминиевого провода (
)
диаметром
.
По соленоиду течет ток
.
Определить количество электричестваq,
протекающее по соленоиду, если его концы
закоротить. (Ответ: q
= 42,7 мкКл).
930.
В
однородном магнитном поле, индукция
которого В = 0,5 Тл, равномерно с частотой
вращается катушка, содержащаяN
= 200 витков, плотно прилегающих друг
к другу. Площадь поперечного сечения
катушки
.
Ось вращения перпендикулярна оси катушки
и направлению магнитного поля. Определить
максимальную эдс, индуцируемую в катушке.
(Ответ:
).
