Э/м Индукция

Задание №21. Качественная Задача

№2. Задание 21

ID: 00016578

Школьник решил проверить целостность вторичной обмотки повышающего трансформатора, который был ему нужен для проведения опытов по электродинамике. Для этого он собрал последовательную цепь, состоящую из батарейки, низковольтной лампочки и исследуемой обмотки трансформатора. После замыкания этой цепи лампочка (не сразу) загорелась, что говорило об отсутствии обрывов во вторичной обмотке трансформатора. Однако, когда школьник стал размыкать эту цепь, держась двумя руками за скрученные проводники, он получил сильный удар током.

Объясните, руководствуясь известными физическими законами и закономерностями, почему в таких цепях даже при малых напряжениях батарейки это может происходить.

Источник: ФИПИ

Решение

Что происходит

Вторичная обмотка повышающего трансформатора — это катушка с большим числом витков и, следовательно, большой индуктивностью $$L$$ . Пока цепь замкнута, по ней течёт постоянный ток от батарейки и магнитный поток через катушку постоянен.

Когда школьник начинает размыкать цепь, ток быстро падает к нулю. Магнитный поток через вторичную обмотку быстро убывает.

Почему (законы)

По закону электромагнитной индукции Фарадея изменение магнитного потока через контур приводит к возникновению ЭДС индукции: $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ . Поскольку поток убывает очень быстро ( $\Delta t$ мало), ЭДС может быть очень велика.

В данном случае речь идёт о явлении самоиндукции: катушка сама противодействует изменению тока через неё. ЭДС самоиндукции: $\mathcal{E}_s = -L\dfrac{\Delta I}{\Delta t}$ . При размыкании $\Delta I / \Delta t$ огромен (ток падает от $$I$$ до 0 за очень малое время), поэтому $\mathcal{E}_s$ может в десятки и сотни раз превысить ЭДС батарейки.

Вторичная обмотка повышающего трансформатора имеет большое число витков $$N_2$$ , то есть большую индуктивность $L \propto N_2^2$ . Это дополнительно усиливает ЭДС самоиндукции.

Возникшее высокое мгновенное напряжение прикладывается к рукам школьника — они держатся за концы проводников и образуют замкнутый путь для тока в момент размыкания.

Ответ: даже при малом напряжении батарейки вторичная обмотка трансформатора (большая индуктивность) при размыкании цепи создаёт ЭДС самоиндукции, которая многократно превышает напряжение источника, и этот импульс высокого напряжения поражает человека, держащего проводники.

Ответ: при размыкании цепи в катушке с большой индуктивностью возникает ЭДС самоиндукции, многократно превышающая напряжение батарейки, что создаёт опасный удар током.

Ответ

При размыкании цепи в катушке (вторичной обмотке) возникает ЭДС самоиндукции, которая может многократно превысить напряжение батарейки и создать опасное для жизни напряжение на руках школьника.

Другие задания по теме «Э/м Индукция» (8)