Global EE

Магнетизм — Задание 21 ЕГЭ по физике №00016541

Задание №21. Качественная Задача

Магнетизм

№2. Задание 21

ID: 00016541

Для демонстрации магнитного взаимодействия двух катушек с протекающими в них электрическими токами профессор Московского университета А. А. Эйхенвальд предложил следующий опыт. Катушка №1 обладает длинным цилиндрическим сердечником, на который намотано много витков изолированного провода. Эта катушка неподвижно крепится на столе так, чтобы ось её сердечника была расположена горизонтально. Катушка №2 намотана на лёгкий кольцевой каркас, внутренний диаметр которого немного превышает диаметр сердечника катушки №1. К катушке №2 подсоединяются два тонких гибких провода, на которых она, подобно маятнику, подвешивается к штативу. Эти провода позволяют свободно висящей катушке №2 вращаться вокруг вертикальной оси и совершать колебания. Длина проводов и расположение штатива подбираются так, чтобы катушка №2 висела вблизи торца сердечника катушки №1 и могла свободно надеваться на эту катушку. При этом горизонтальные оси катушек совсем немного не совпадают друг с другом.

Сначала через эти две катушки пропускают постоянные электрические токи таким образом, чтобы между ними возникли силы магнитного притяжения. В результате этого катушка №2 притягивается к катушке №1 и надевается на неё (см. рис.). Затем направление протекания тока в катушке №1 изменяют на противоположное, а ток, текущий через катушку №2, оставляют прежним.

Опишите, что после этого будет происходить с катушкой №2. Ответ поясните, указав, какие физические закономерности Вы использовали для объяснения.

Рисунок к заданию 21 ЕГЭ по физике — Магнетизм

Источник: ФИПИ

Решение

Сначала разберёмся, что здесь происходит. Катушка с током ведёт себя как магнит: на её торцах северный и южный полюсы, а какой торец каким полюсом станет, зависит от направления тока (правило буравчика). Катушка №1 закреплена на столе, а лёгкая катушка №2 висит на проводах, как маятник, и может ещё поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Шаг 1 — исходное положение. Катушки притянулись, и №2 надета на сердечник №1. Значит, они обращены друг к другу разноимёнными полюсами: разноимённые полюсы притягиваются. Иначе говоря, токи в катушках текут в одну сторону.

Шаг 2 — меняем ток в катушке №1. Её полюсы меняются местами, а у катушки №2 остаются прежними. Теперь катушки обращены друг к другу одноимёнными полюсами, и притяжение сменяется отталкиванием. Под действием силы отталкивания катушка №2 соскакивает с сердечника и, набрав скорость, отклоняется от катушки №1, раскачиваясь на проводах.

Шаг 3 — почему катушка разворачивается. Два магнита, обращённые друг к другу одноимёнными полюсами, — неустойчивое положение. Представь компасную стрелку, которую поставили северным концом к северному полюсу магнита: стоит её чуть сдвинуть, и она развернётся. Здесь так же. Оси катушек немного не совпадают, а поле у торца сердечника неоднородное, поэтому при движении катушка №2 слегка поворачивается вокруг вертикальной оси. Как только поворот начался, магнитное поле катушки №1 создаёт вращающий момент, который этот поворот усиливает, и катушка №2 разворачивается на $180^\circ$.

Шаг 4 — что дальше. После разворота катушка №2 обращена к катушке №1 другим торцом, то есть разноимённым полюсом. Отталкивание снова сменяется притяжением, катушка №2 возвращается и опять надевается на сердечник, только теперь другой стороной. Это положение устойчиво, и катушка в нём остаётся.

Какие закономерности здесь работают: магнитное поле катушки с током и правило буравчика, взаимодействие магнитов (одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые притягиваются), вращающий момент, с которым магнитное поле действует на катушку с током, и второй закон Ньютона.

Ответ

После смены направления тока в катушке №1 катушки обращены друг к другу одноимёнными полюсами и отталкиваются: катушка №2 соскакивает с сердечника и отклоняется, как маятник. Такое положение неустойчиво: оси катушек немного не совпадают, поле у торца неоднородно, и на катушку №2 действует вращающий момент — она разворачивается вокруг вертикальной оси на 180°. После разворота катушки снова обращены друг к другу разноимёнными полюсами, притягиваются, и катушка №2 опять надевается на сердечник — уже другой стороной.

Другие задания по теме «Магнетизм» (8)