ID: 00017536
На рисунке изображены две электрические цепи. Первая содержит последовательно соединённые источник тока (1), реостат, катушку индуктивности и амперметр, а вторая — проволочный моток, к концам которого присоединён гальванометр. Катушка и моток надеты на общий железный сердечник (2).
Как будут изменяться показания приборов при плавном уменьшении сопротивления реостата? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали.
Источник: ФИПИ
Перед нами по сути «трансформатор»: две катушки на одном железном сердечнике. Первая (с амперметром) — это первичная обмотка, по ней течёт ток от источника. Вторая (с гальванометром) — вторичная, в ней своего источника нет. Связь между ними — через магнитный поток в железном сердечнике: сердечник «собирает» магнитное поле первой катушки и проводит его сквозь вторую. Поэтому всё, что происходит во второй цепи, вызвано изменением этого общего потока.
Цепь простая и последовательная: источник, реостат, катушка, амперметр. Сила тока по закону Ома $I = \dfrac{\mathcal{E}}{R_{реостата}+\ldots}$. Если плавно уменьшать сопротивление реостата, знаменатель уменьшается, значит ток растёт. Поэтому амперметр показывает плавно увеличивающийся ток.
Ток в первой катушке растёт — растёт и магнитное поле, которое она создаёт, а вместе с ним растёт магнитный поток через сердечник и через витки второго мотка. По закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока сквозь контур в нём наводится ЭДС индукции $\mathcal{E}_i = -\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$. Эта ЭДС гонит по второй цепи индукционный ток, и гальванометр отклоняется.
Важная тонкость: гальванометр реагирует не на сам ток в первой катушке, а на его изменение. Пока мы крутим реостат и ток в первой катушке меняется — поток меняется, индукционный ток есть, стрелка гальванометра отклонена. Как только мы перестанем двигать реостат (ток в первой катушке установится постоянным) — поток перестанет меняться, ЭДС индукции исчезнет, и гальванометр вернётся к нулю, хотя ток в первой цепи продолжает идти.
При плавном уменьшении сопротивления реостата: амперметр первой цепи показывает плавно растущий ток; гальванометр второй цепи на всё время изменения отклоняется (регистрирует индукционный ток), а по окончании изменения возвращается к нулю.
Использованные закономерности: закон Ома для участка цепи (ток растёт при уменьшении сопротивления); явление электромагнитной индукции и закон Фарадея (изменяющийся магнитный поток наводит ЭДС индукции и ток во второй обмотке).
Показания амперметра плавно растут; гальванометр всё время, пока сопротивление меняется, показывает отклонение (регистрирует индукционный ток), а как только изменение прекратится — вернётся к нулю.