ID: 00017077
Намагниченный стальной стержень начинает свободное падение с нулевой начальной скоростью из положения, изображённого на рисунке 1. Пролетая сквозь закреплённое проволочное кольцо, стержень создаёт в нём электрический ток, сила которого изменяется со временем так, как показано на рисунке 2 (см. рис.).
Почему в моменты времени t_1 и t_2 ток в кольце имеет различные направления? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения. Влиянием тока в кольце на движение магнита пренебречь.
Источник: Сборник Гиголо
Ток в кольце — индукционный. Он появляется не сам по себе, а потому что сквозь кольцо меняется магнитный поток от летящего магнита. А раз так, главный вопрос — в какую сторону этот поток меняется в каждый из моментов. Работают два закона: закон электромагнитной индукции Фарадея (он говорит, что ЭДС берётся от изменения потока) и правило Ленца (оно говорит, куда направлен ток).
В момент t_1 магнит ещё только подлетает к кольцу сверху. Он приближается, значит число линий магнитного поля, пронизывающих кольцо, растёт — магнитный поток увеличивается. По закону Фарадея возникает ЭДС индукции \varepsilon_{инд} = -\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}, и в кольце течёт ток. По правилу Ленца он направлен так, чтобы своим полем мешать росту потока — то есть отталкивать приближающийся магнит.
В момент t_2 магнит уже проскочил кольцо и удаляется от него вниз. Теперь линий поля сквозь кольцо становится всё меньше — поток уменьшается. Правило Ленца снова требует мешать изменению, но изменение теперь обратное (поток падает, а не растёт), поэтому ток в кольце потечёт в противоположную сторону — он будет как бы удерживать, притягивать улетающий магнит.
Направление индукционного тока определяется не самим потоком, а тем, растёт он или убывает. В момент t_1 поток растёт, в момент t_2 убывает — два противоположных изменения дают и два противоположных тока.
Ответ: в момент t_1 магнитный поток через кольцо увеличивается (магнит приближается), а в момент t_2 уменьшается (магнит удаляется); по правилу Ленца этим двум противоположным изменениям потока соответствуют противоположные направления индукционного тока.
В момент t₁ магнит приближается к кольцу (поток растёт), а в момент t₂ удаляется (поток убывает). Поэтому по правилу Ленца индукционный ток в кольце имеет противоположные направления.