2.12. Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея

Теоретическая справка

Если замкнутый контур поместить в магнитное поле, то говорит, что контур в магнитном поле пронизывается определённым магнитным потоком Ф, или потоком вектора магнитной индукции. Магнитный поток зависит от модуля вектора магнитной индукции, площади контура и его ориентации в пространстве по отношению к линиям магнитной индукции. Соответственно, при изменении любого из этих параметров, магнитный поток, пронизывающий контур, будет изменяться.

29 августа 1831 года Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Индукционный ток наблюдают в катушке замкнутой на гальванометр следующих случаях:

  1. при взаимном движении магнита и катушки относительно друг друга;
  2. при взаимном перемещении катушки и электромагнита относительно друг друга;
  3. при замыкании и размыкании цепи электромагнита;
  4. при регулировании силы тока в цепи электромагнита;
  5. при перемещении сердечника электромагнита, вставленного в катушку.

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. Две катушки надеты на железный сердечник (см. рис. 1). Через первую катушку протекает электрический ток (график зависимости силы тока от времени представлен на рис. 2). Вторая катушка замкнута на гальванометр.

Рис. 1 Рис. 2

Используя текст и рисунки, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Заряд, прошедший через первую катушку в интервале времени от t1 до t2, равен нулю.
2) Индукционный ток, возникающий в катушке 2 в интервале времени от t1 до t2, имеет наибольшее значение.
3) В течение всего времени наблюдения (от 0 до t3) в катушке 1 отсутствует магнитное поле.
4) В интервале времени от t2 до t3  магнитное поле в катушках  не меняется.
5) В течение всего времени  наблюдения (от 0 до t3) в катушке 2 протекает индукционный ток.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — не верно. В интервале времени от t1 до t2, по первой катушке протекает электрический ток, значит через нее прошел некоторый электрический заряд;

Утверждение 2 — верно. Поскольку в другие моменты времени индукционный ток в первой катушке вообще не существовал, т.е. $I=0$;

Утверждение 3 — не верно. В интервале времени от t1 до tв первой катушке существовал индукционный ток, значит существовало и магнитное поле;

Утверждение 4 — верно. В первой катушке магнитного поля вообще нет, поэтому оно не меняется. Сила тока во второй катушке меняется в интервале времени от t2 до t3, значит ее магнитное поле неизменно;

Утверждение 5 — не верно. В катушке 2 индукционный ток возникает только при изменении силы тока в ней (явление самоиндукции), т.е. в интервале времени от t1 до t2.

Ответ: 24

[свернуть]

2. Постоянный магнит вносят в катушку, замкнутую на гальванометр (см. рисунок).

Если вносить магнит в катушку с большей скоростью, то показания гальванометра будут примерно соответствовать рисунку

Нажмите, чтобы увидеть решение

Наблюдения показывают, что сила индукционного тока, а значит и угол отклонения стрелки гальванометра, тем больше, чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий контур. Если вносить магнит в катушку с большей скоростью, то гальванометр зафиксирует больший ток. Поскольку в задании подразумевается, что магнит вносят тем же полюсом, то и стрелка будет отклоняться в ту же сторону.

Ответ:

[свернуть]

3. В первом случае магнит вносят в эбонитовое сплошное кольцо, а во втором случае – в медное кольцо с разрезом (см. рисунок).

Индукционный ток

1) возникает только в эбонитовом кольце
2) возникает только в медном кольце
3) возникает в обоих кольцах
4) не возникает ни в одном из колец

Нажмите, чтобы увидеть решение

В эбонитовом кольце ток не может возникнуть, поскольку эбонит — диэлектрик. Во втором случае ток, также не возникает, поскольку кольцо не замкнуто.

Ответ:

[свернуть]

4. Две катушки надеты на железный сердечник (см. рис. 1). Через первую катушку протекает электрический ток (график зависимости силы тока от времени представлен на рис. 2). Вторая катушка замкнута на гальванометр.

Рис. 1 Рис. 2

Используя текст и рисунки, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Заряд, прошедший через первую катушку в интервале времени от 0 до 40 с, равен 120 Кл.
2) Индукционный ток, возникающий в катушке 2 в интервале времени от 0 до 40 с, имеет наибольшее значение.
3) В течение всего времени  наблюдения (от 0 до 120 с) в катушках существует магнитное поле.
4) В течение всего времени  наблюдения (от 0 до 120 с) в катушке 2 протекает индукционный ток.
5) Заряд, прошедший через вторую катушку в интервале времени от 0 до 40 с, равен 80 Кл.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. В интервале времени от 0 до 40 с, по первой катушке протекает электрический ток силой 3 А, значит через нее прошел электрический заряд

$q=I \cdot t$,

$q=3 \cdot 40=120$ Кл.

Утверждение 2 — не верно. В указанном интервале времени индукционный ток во второй катушке вообще не возникает, т.к. сила тока в первой катушке не меняется, что не вызывает изменение ее магнитного поля, а значит и не изменяется магнитный поток, пронизывающий вторую катушку;

Утверждение 3 — верно. Магнитное поле существует, пока по первой катушке течет ток. Катушки соединены общим железным сердечником, поэтому магнитное поле первой катушки будет пронизывать и вторую;

Утверждение 4 — не верно. Во второй катушке индукционный ток существует только тогда, когда изменяется сила тока в первой катушке, т.е. не всегда;

Утверждение 5 — не верно. В указанный интервал времени индукционного тока не было, значит и прошедший заряд равен нулю.

Ответ: 13

[свернуть]

5. Внутри катушки, соединенной с гальванометром, находится малая катушка, подключенная к источнику постоянного тока. В каком(-их) из перечисленных опытов гальванометр зафиксирует индукционный ток?

А. В малой катушке выключают электрический ток.
Б. Малую катушку вынимают из большой.

1) только в опыте А
2) только в опыте Б
3) в обоих опытах
4) ни в одном из опытов

Нажмите, чтобы увидеть решение

В то время, когда будет изменяться магнитное поле первой катушки, т.е. в моменты включения тока или при движении катушки с током относительно большой гальванометр будет фиксировать наличие индукционного тока.

Ответ:

[свернуть]

6. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Сила индукционного тока зависит

А. от скорости перемещения магнита
Б. от того, каким полюсом вносят магнит в катушку

Правильным ответом является

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, поэтому будет определяться скоростью перемещения магнита. От от того, каким полюсом вносят магнит в катушку зависит направление индукционного тока.

Ответ:

[свернуть]

7. Учитель на уроке, используя катушку, замкнутую на гальванометр, и полосовой магнит (см. рисунок), последовательно провёл опыты по наблюдению явления электромагнитной индукции.

Условия проведения опытов и показания гальванометра представлены в таблице.

Опыт 1.

Магнит вносят в катушку с некоторой скоростью υ1

Опыт 2.

Магнит вносят в катушку со скоростью υ2, большей, чем υ121 )

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Величина индукционного тока зависит от геометрических размеров катушки.
2) При изменении магнитного потока, пронизывающего катушку, в катушке возникает электрический (индукционный) ток.
3) Величина индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушку.
4) Направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, пронизывающий катушку.
5) Направление индукционного тока зависит от направления магнитных линий, пронизывающих катушку.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — не верно. В указанных опытах использовалась одна и та же катушка, поэтому данное утверждение проверить нельзя;

Утверждение 2 — верно. В обоих опытах при движении магнита относительно катушки изменялся магнитный поток, пронизывающий ее. При этом гальванометр фиксировал наличие индукционного тока;

Утверждение 3 — верно. При внесении магнита в катушку во втором случае гальванометр зафиксировал больший ток. При большей скорости магнита, магнитный поток изменяется быстрее;

Утверждение 4 — не верно. В указанных опытах магнитный поток только увеличивался;

Утверждение 5 — не верно. В указанных опытах магнит вносили северным полюсом, направление линий не менялось.

Ответ: 23

[свернуть]

8. Кольцо из медной проволоки быстро вращается между полюсами сильного магнита (см. рисунок). Будет ли происходить нагревание кольца? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: при вращении кольца будет наблюдаться его нагревание.

Пояснение. При вращении кольца между полюсами магнита, магнитный поток, пронизывающий кольцо будет изменяться,  поэтому в кольце будет возникать индукционный ток. При протекании индукционного тока по кольцу, в нем будет выделяться тепло, согласно закону Джоуля-Ленца.

[свернуть]

9. Проводник, замкнутый на гальванометр, перемещается в магнитном поле подковообразного магнита перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Индукционный ток в этом проводнике возникнет, если

А. проводник вносят в магнитное поле.
Б. проводник выносят из магнитного поля.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле подковообразного магнита является неоднородным, поэтому при внесении в него проводника и, напротив, при выходе проводника из магнитного поля магнита, магнитный поток будет изменяться, значит в обоих случаях в проводнике возникнет индукционный ток.

Ответ:

[свернуть]

10. В большую катушку, замкнутую на  гальванометр, вставлена малая катушка, соединённая с источником тока. Зависимость силы тока I в малой катушке от времени t показана на графике. В какой(-ие) промежуток(-ки) времени в большой катушке возникает индукционный ток?

1) только 0–1
2) только 2–3
3) только 0–1 и 2–3
4) 0–3

Нажмите, чтобы увидеть решение

Индукционный ток будет возникать в том случае, когда изменяется магнитное поле малой катушки. Изменение магнитного поля малой катушки будет обусловлено изменением силы тока в ней. Это происходит в моменты времени 0–1 и 2–3, значит индукционный ток будет также возникать только в эти моменты времени.

Ответ:

[свернуть]

11. В первом случае магнит вносят в стальное сплошное кольцо, а во втором случае – в медное кольцо с разрезом (см. рисунок).

Индукционный ток

1) возникает только в стальном кольце
2) возникает только в медном кольце
3) возникает в обоих кольцах
4) не возникает ни в одном из колец

Нажмите, чтобы увидеть решение

Оба кольца металлические, т.е. материалом являются проводники, но второе кольцо не замкнуто, значит в нем индукционный ток возникать не будет.

Ответ:

[свернуть]

12. В каком(-их) из перечисленных опытов в металлическом кольце возникает индукционный ток:

А. В кольцо вдвигают постоянный магнит.
Б. Из кольца выдвигают постоянный магнит.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Оба кольца металлические, т.е. материалом являются проводники, но второе кольцо не замкнуто, значит в нем индукционный ток возникать не будет.

Ответ:

[свернуть]

13. Как можно изменить направление индукционного тока в катушке, замкнутой на гальванометр, при перемещении в ней постоянного магнита?

1) увеличив скорость перемещения магнита
2) усилив магнитное поле постоянного магнита
3) увеличив число витков провода в катушке
4) изменив направление движения магнита

Нажмите, чтобы увидеть решение

Изменение направления индукционного тока связано либо с изменением направления линий магнитного поля при перемещении магнита относительно катушки, либо с изменением характером изменения магнитного потока. Например, ток меняет свое направление, если сначала магнитный поток увеличивался, а затем уменьшается. Этого можно достигнуть, изменив направление движения магнита.

Ответ:

[свернуть]

14. Алюминиевое кольцо с разрезом поднимают над полосовым магнитом, а такое же, но сплошное кольцо смещают вправо (см. рисунок). При этом индукционный ток

1) возникает только в первом кольце
2) возникает только во втором кольце
3) возникает и в первом, и во втором кольце
4) не возникает ни в первом, ни во втором кольце

Нажмите, чтобы увидеть решение

Верхнее кольцо не замкнуто, в нем индукционный ток возникать не будет. Во втором кольце индукционный ток возникать будет, т.к. при его удалении от магнита, магнитный поток, пронизывающий кольцо, будет уменьшаться, а при любом изменении магнитного потока в замкнутом контуре возникает индукционный ток.

Ответ:

[свернуть]

15. В катушку, соединенную с гальванометром, вносят магнит. Направление индукционного тока зависит

А. от скорости перемещения магнита
Б. от того, каким полюсом вносят магнит в катушку

Правильным ответом является

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

От скорости изменения магнитного потока зависит сила индукционного тока, поэтому она будет определяться скоростью перемещения магнита. Направление индукционного тока зависит от направления линий магнитного поля магнита, т.е. от от того, каким полюсом вносят магнит в катушку.

Ответ:

[свернуть]

16. На демонстрационном столе находятся следующие приборы и оборудование:

А) катушка электромагнита (без сердечника)
Б) гальванометр
В) полосовой магнит
Г) источник тока
Д) вольтметр

Что из указанного необходимо взять, чтобы продемонстрировать явление электромагнитной индукции?

1) А, Б и В
2) А, В и Г
3) А, Б, В и Г
4) А, Б, В, Г и Д

Нажмите, чтобы увидеть решение

Для демонстрации явления электромагнитной индукции необходим замкнутый контур — катушка электромагнита (без сердечника), прибор для регистрации возникающего тока — гальванометр и источник магнитного поля — магнит.

Ответ: 1 

[свернуть]

17. Используя две катушки, одна из которых подсоединена к источнику тока, а другая замкнута на амперметр, ученик изучал явление электромагнитной индукции. На рис. 1 представлена схема эксперимента, а на рис. 2 –  показания амперметра для момента замыкания цепи с катушкой 1 (1), для установившегося постоянного тока, протекающего через катушку 1 (2), и для момента размыкания цепи с катушкой 1 (3).

Рис. 1
Рис. 2

Из  предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующих экспериментальным наблюдениям. Укажите их номера.

1) В катушке 1 электрический ток протекает только в момент замыкания и размыкания цепи.
2) Направление индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушку 2.
3) При изменении магнитного поля, создаваемого катушкой 1, в катушке 2 возникает индукционный ток.
4) Направление индукционного тока в катушке 2 зависит от того, увеличивается или уменьшается электрический ток в катушке 1.
5) Величина индукционного тока зависит от магнитных свойств среды.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — не верно. В электрический ток будет существовать в первой катушке пока замкнут ключ;

Утверждение 2 — не верно.  В данных опытах не исследовалась скорость изменения магнитного потока;

Утверждение 3 — верно. В моменты замыкания и размыкания цепи магнитное поле первой катушки меняется, в это же время во второй катушке возникает ток. Если сила тока в первой катушке не меняется и вместе с ней не меняется магнитное поле катушки, то во второй катушке ток не возникает;

Утверждение 4 — верно. В момент замыкания и размыкания (возрастания и убывания магнитного потока) направление тока во второй катушке было разным;

Утверждение 5 — не верно. В указанных опытах среда не менялась.

Ответ: 34

[свернуть]

18. Учитель на уроке, используя катушку, замкнутую на гальванометр, и полосовой магнит, последовательно провёл опыты по наблюдению явления электромагнитной индукции. Перемещение магнита и показания гальванометра представлены на рисунке.

Из предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующих проведённым опытам. Укажите их номера.

1) Величина индукционного тока зависит от геометрических размеров катушки.
2) Величина индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушку.
3) В постоянном магнитном поле индукционный ток в катушке не возникает.
4) Направление индукционного тока зависит от того, вносят или выносят магнит из катушки.
5) Величина индукционного тока зависит от магнитных свойств магнита.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — не верно. Во всех опытах катушка была одинаковой;

Утверждение 2 — не верно.  В данных опытах ничего не говорится о скорости движения магнита, величина тока была одинаковой, разным было направление;

Утверждение 3 — верно. Когда магнит неподвижен относительно катушки, ток в катушке не возникает;

Утверждение 4 — верно. При внесении магнита в катушку, стрелка гальванометра отклоняется вправо, а тогда, когда вынимают магнит — влево;

Утверждение 5 — не верно. В указанных опытах ничего не говорится о магнитных свойствах магнита.

Ответ: 34

[свернуть]

19. Используя катушку, замкнутую на амперметр, и полосовой магнит, ученик изучал явление электромагнитной индукции. На рисунке представлены результаты опыта для случая внесения магнита в катушку (1), для случая покоящегося магнита (2) и для случая вынесения магнита из катушки (3).

Из предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующих экспериментальным наблюдениям. Укажите их номера.

1) Величина индукционного тока зависит от геометрических размеров катушки.
2) Величина индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушку.
3) В постоянном магнитном поле индукционный ток в катушке не возникает.
4) Направление индукционного тока зависит от того, вносят магнит в катушку или выносят из неё.
5) Величина индукционного тока зависит от магнитных свойств магнита.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — не верно. Во всех опытах катушка была одинаковой;

Утверждение 2 — не верно.  В данных опытах ничего не говорится о скорости движения магнита, величина тока была одинаковой, разным было направление тока;

Утверждение 3 — верно. Когда магнит неподвижен относительно катушки, ток в катушке не возникает;

Утверждение 4 — верно. При внесении магнита в катушку, стрелка гальванометра отклоняется вправо, а тогда, когда вынимают магнит — влево;

Утверждение 5 — не верно. В указанных опытах ничего не говорится о магнитных свойствах магнита.

Ответ: 34

[свернуть]

20. На рисунке показана схема установки для демонстрации явления электромагнитной индукции. Она состоит из намотанной на полый каркас проволочной катушки, выводы которой подсоединены к амперметру, и закреплённого над ней постоянного магнита.

Проводятся следующие опыты:

I. катушку удаляют от магнита;
II. катушку приближают к магниту;
III. катушку поворачивают на 90°, относительно горизонтальной оси.

В каком опыте можно продемонстрировать явление электромагнитной индукции?

1) Только в первом.
2) Только во втором.
3) Только в третьем.
4) Во всех трёх.

Нажмите, чтобы увидеть решение

В первом опыте при удалении катушки от магнита, магнитное поле ослабевает — магнитный поток уменьшается, значит, индукционный ток возникает. Во втором опыте при приближении катушки к магниту, магнитное поле усиливается — магнитный поток увеличивается, значит, индукционный ток возникает. В третьем опыте изменение магнитного потока происходит за счет изменения числа линий магнитного поля, пронизывающих катушку при ее повороте, т.е. в третьем опыте индукционный ток также возникает.

Ответ:

[свернуть]

21. Один раз кольцо падает на стоящий вертикально полосовой магнит так, что надевается на него, второй раз так, что пролетает мимо него. Плоскость кольца в обоих случаях горизонтальна. Ток в кольце

1) возникает в обоих случаях
2) не возникает ни в одном из случаев
3) возникает только в первом случае
4) возникает только во втором случае

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле полосового магнита неоднородно. Поэтому при движении колец в обоих случаях будет происходить изменение магнитного потока, т.е. индукционный ток будет возникать и в первом, и во втором случае.

Ответ:

[свернуть]

22. При внесении южного полюса магнита в катушку амперметр фиксирует возникновение индукционного тока. Что необходимо сделать, чтобы увеличить силу индукционного тока?

1) увеличить скорость внесения магнита
2) вносить в катушку магнит северным полюсом
3) изменить полярность подключения амперметра
4) взять амперметр с меньшей ценой деления

Нажмите, чтобы увидеть решение

Величина индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Магнитный поток будет изменяться быстрее, если магнить вдвигать быстрее.

Ответ:

[свернуть]

25. Магнит выводят из кольца и в нем возникает индукционный ток, направление которого показано на рисунке. Какой полюс магнита ближе к кольцу?

1) северный
2) южный
3) положительный
4) отрицательный

Нажмите, чтобы увидеть решение

Согласно правилу Ленца, индукционный ток направлен так, чтобы компенсировать изменение магнитного потока, в данном случае магнитный поток убывает, значит линии магнитного поля направлены также как и линии магнитного поля магнита. По правилу правой руки определяем, что линии магнитного поля индукционного тока направлены влево, т.е. линии магнитного поля также направлены влево. Как известно, линии магнитного поля постоянного магнита направлены от северного полюса к южному, значит ближайший к кольцу полюс — северный.

Ответ:

[свернуть]

26. В каком случае колебания стрелки компаса затухают быстрее: если корпус компаса изготовлен из стали или из дерева? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: в случае стального корпуса затухание будет проходить быстрее.

Пояснение. При колебаниях магнитной стрелки в проводящем корпусе (в данном случае, стальном) будет возникать индукционный ток. Магнитное поле индукционного тока будет взаимодействовать с магнитной стрелкой, замедляя её движение.

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея (2454 Загрузки )