【УМК «Просвещение»】Физика. Профильный курс, часть 2: Встреча магнита и алюминиевой трубы: открытие электромагнитного демпфирования

Когда вы заходите в научный музей, вы видите удивительное устройство: две вертикальные алюминиевые трубы. Если бросить сильный магнит в левуюсплошную алюминиевую трубутрубу, он будто погружается в невидимую вязкую жидкость и медленно и равномерно скользит вниз; а если бросить его в правую трубу спродольным разрезомтрещиной, то скорость будет поразительно высокой.

Основные исследовательские вопросы (Big Questions)

Генераторы электростанцийКак гигантские генераторы преобразуют механическое вращение в мощный поток электрической энергии?
Закон возникновения электричества от магнетизмаКакие математические и физические принципы лежат в основе возникновения индукционного тока?
Факторы, влияющие на направлениеПочему индукционный ток всегда действует «наоборот»?

Физическая сущность: электромагнитное демпфирование

Когда проводник движется в магнитном поле, стенки трубы пересекают магнитные силовые линии, вызывая индукционный ток (вихревые токи). Согласно закону Ленца, индукционный ток оказывает на проводник силуАмпера, направленную так, чтобыпротиводействоватьотносительному движению проводника. Это явление называетсяэлектромагнитное демпфирование.

Важное определение

Когда проводник движется в магнитном поле, индукционный ток создает силу Ампера, направление которой всегда противодействует движению проводника. Это явление называется электромагнитным демпфированием.

ВОПРОС 1

Почему магнит падает быстрее в трещинной алюминиевой трубе, чем в сплошной?

Трещинная труба уменьшает сопротивление воздуха, испытываемое магнитом

Трещина разрывает контур индукционного тока, не позволяя образоваться сильным вихревым токам

Магнитное поле внутри трещинной трубы слабее, чем в сплошной

Вес алюминиевой трубы уменьшается при наличии трещины

ВОПРОС 2

На рисунке 1.1-9, если проводник с током параллелен направлению магнитного поля, то сила Ампера, действующая на него, равна:

максимальному значению BIl

нулю

зависит от величины тока

ВОПРОС 3

Когда проводящий стержень MN движется вправо в магнитном поле (рис. 2.1-10), какое из приведённых утверждений правильно описывает направление индукционного тока в цепи MNDC?

по часовой стрелке

против часовой стрелки (N → D → C → M)

ВОПРОС 4

Если индуктированная электродвижущая сила (ЭДС) вызвана изменением магнитного поля и возникающим при этом индуцированным электрическим полем, как она называется?

движущаяся ЭДС

индуктивная ЭДС

самоиндукция

ВОПРОС 5

Принцип работы асинхронного двигателя основывается на использовании:

электростатической индукции

электромагнитном приводе

законе Кулона

Комплексный анализ: электромагнитный расходомер и искусственный спутник

От микроскопических сил до макроскопических преобразований энергии

Закон электромагнитной индукции повсеместно используется в современных технологиях. Независимо от того, измеряем ли мы поток жидкости или анализируем потери энергии спутника в магнитном поле Земли, всё это невозможно без этого ключевого принципа.

Вопрос

1. На рисунке 2.2-7 показан электромагнитный расходомер. Известно, что диаметр трубы равен d, магнитная индукция — B. Выведите зависимость между расходом Q и напряжением U.

Ответ:
当液体流动达到稳定状态时，离子受到的洛伦兹力与电场力平衡，即 qE = qvB，其中 E = U/d，得到 U = Bvd。流量 Q = vS = v · π(d/2)² = v · (πd²)/4。代入 v = U/(Bd)，得 Q = (πd·U) / (4B)。

Вопрос

2. Искусственный спутник движется вокруг Земли. Из-за неравномерности магнитного поля Земли в металлическом корпусе возникают индукционные токи. Проанализируйте преобразование энергии в этом процессе и предскажите его влияние на движение спутника.

Ответ:
Преобразование энергии: механическая энергия спутника (кинетическая энергия) через электромагнитную индукцию превращается в электрическую энергию, а затем в внутреннюю энергию (джоулево тепло) в металлическом корпусе. Влияние: из-за постоянных потерь энергии электромагнитное сопротивление постепенно снижает высоту орбиты спутника и замедляет его движение.