СДАМ ГИА: РЕШУ ЕГЭ
Образовательный портал для подготовки к экзаменам
Физика
≡ физика
сайты - меню - вход - новости




Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Задание 28 № 3656

В зазоре между полюсами электромагнита создано сильное магнитное поле, линии индукции которого практически горизонтальны. Над зазором на некоторой высоте удерживают длинную плоскую медную пластинку, параллельную вертикальным поверхностям полюсов (см. рис.). Затем пластинку отпускают без начальной скорости, и она падает, проходя через зазор между полюсами, не касаясь их. Опишите, опираясь на физические законы, как и почему будет изменяться скорость пластинки во время ее падения.

Решение.

1. Сначала пластинка начинает падать под действием силы тяжести с ускорением свободного падения при этом ее скорость увеличивается.

2. Как только нижний край пластинки достигает области между полюсами магнита, в которой существует сильное магнитное поле, магнитный поток через пластинку начинает возрастать, и в ней по закону электромагнитной индукции Фарадея появляются вихревые индукционные токи («токи Фуко»). Эти токи взаимодействуют по закону Ампера с магнитным полем магнита, и, в соответствии с правилом Ленца, появляется сила, тормозящая падение пластинки. Поэтому ускорение пластинки начинает уменьшаться.

3. Когда тормозящая сила сравнивается с силой тяжести, то ускорение пластинки становится равным нулю, и пластинка далее падает в зазоре электромагнита с постоянной скоростью.

4. Когда верхний край пластинки достигает верхнего края зазора электромагнита, магнитный поток через пластинку начинает падать, и тормозящая сила уменьшается. При этом в соответствии со вторым законом Ньютона скорость пластинки возрастает, и после ее выхода из магнитного поля продолжается падение с ускорением свободного падения

Спрятать решение · ·
Ирина Юрьевна Тутова (Санкт-Петербург) 07.06.2012 13:55

В решении написано:

"Когда верхний край пластинки достигает верхнего края зазора электромагнита, магнитный поток через пластинку начинает падать, и тормозящая сила уменьшается..."

При уменьшении магнитного потока возникает ЭДС индукции (и токи ФУКО), которые будут тормозить изменение магнитного потока, т.е изменится направление тока, но тормозящая сила будет. Или я не права?

А вот в середине процесса, когда передний и задний края далеко от магнитного поля (если пластина большая), нет изменений магнитного потока и ЭДС должна стать равной нулю.

С уважением ТИЮ (учитель)

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день, Ирина Юрьевна!

Проясню ситуацию. Я сам задачи части С не решал, здесь приведены официальные решения из разных источников. Поэтому, первый раз увидев данную задачу, могу Вам только на вскидку сказать следующее. Определить, как будут распределяться токи Фуко в произвольном проводнике, что называется, "на пальцах" не представляется возможным. Можно только высказывать некоторые предположения. Мне кажется, что в описываемой Вами ситуации, когда пластинка пролетает магнитное полей своей серединой, токи не пропадут. Какие аргументы могу здесь привести:

1) Если предположить, что токов нет, то мы получаем движущуюся пластину в магнитном поле. На свободные заряды в ней все равно будет действовать сила Лоренца, это будет приводить к перераспределению зарядов, а значит, вновь будут появляться какие-то токи.

2) Ваш комментарий, про то, что поток через пластину не изменяется. Вы тут рассматриваете, как я понимаю, поток через поверхность, натянутую на всю пластинку (контур по границам пластины), тогда, вроде, действительно получается, что циркуляция вектора напряженности электрического поля вдоль этого контура равна нулю. Но вот если брать контуры поменьше, то там вроде циркуляции уже не будут обращаться в ноль. То есть магнитное поле пронизывает всегда одинаковый по площади кусок пластины, но это все время новые куски. Для каждого конкретного контура внутри пластины, поток может изменяться.

3) Из личного опыта: не так давно в Санкт-Петербурге проходила выставка "Зазеркалье". Так вот, там был экспонат: две длинные параллельные вертикальные пластины электромагнита между которыми можно было пускать металлические диски. Эти диски двигались, по моим воспоминаниям, на протяжении всего спуска практически равномерно :)

 

Еще одно небольшое замечание, в решении написано, что тормозящая сила сравнивается в некоторый момент с силой тяжести. Вот в этом не уверен, мне кажется, что тут многое зависит от проводимости пластины. У меди она хорошая, но все-таки не бесконечная, так что тут тоже можно подискутировать :)

 

C уважение, Алексей.

Александр Николаев 17.06.2016 09:51

Здравствуйте!

 

Решение задачи и правда вызывает вопросы, например, когда пластина полностью находится между обкладками и движется вниз в поле тяжести с ускорением, ЭДС, согласно формулировке з-на Фарадея: e= -dФ/dt = 0 (dФ=0). Значит нет индукционных токов, которые бы компенсировали своим полем изменение потока. То есть, по логике, пластина должна падать свободно и ускоряться (ускорение g). С другой стороны, как вы заметили, есть сила Лоренца, которая действует на электроны в проводнике и их перераспределяет. То есть, пластина заряжается, появляется некое электрическое поле (Е = VxB), направленное поперек пластины. Однако пластина падает, значит ускоряется, значит скорость равномерно увеличивается, а значит увеличивается и количество заряда на краях пластины. Отсюда получаем ток I = dQ/dt, который течет поперек пластины, и с которым будет взаимодействовать внешнее магнитное поле (сила Ампера), значит за счет силы Ампера ускорение свободного падения будет на некоторую величину компенсироваться. Величина же компенсации ускорения будет зависеть от того, насколько мгновенно происходит в проводнике перераспределение заряда. Иными словами, решение задачи выглядит неполным.