Требования к оформлению контрольной работы 3 страница

Тогда выражение (2) для радиуса кривизны приобретает вид

Убедимся в том, что правая часть этого равенства дает единицу длины (м):

м

После вычисления по формуле (4) найдем

R=45 мм.

2. Для определения частоты вращения воспользуемся формулой связывающей частоту со скоростью и радиусом кривизны траектории,

Подставив R из выражения (2) в эту формулу, получим

Произведя вычисления, найдем n=4,20 × 10⁷ c^-1 .

Пример 13.Электрон, имея скорость u=2 Мм/с, влетел воднородное магнитное поле с индукцией В=30 мТл под углом a=30° к направлению линий индукции. Определить радиус Rи шаг hвинтовой линии, покоторой будет двигаться электрон.

Решение. Известно, что на заряженную частицу, влетевшую в магнитное поле, действует сила Лоренца, перпендикулярная векторам магнитной индукции Ви скорости vчастицы:

F=QuB sin a, (1)

где Q — заряд частицы.

В случае, если частицей является электрон, формулу (1) можно записать в виде

F= |e|uB sin a.

Так как вектор силы Лоренца перпендикулярен вектору скоро­сти, то модуль скорости не будет изменяться под действием этой силы. Но при постоянной скорости, как это следует из формулы (1), останется постоянным и значение силы Лоренца. Из механики известно, что постоянная си­ла, перпендикулярная скоро­сти, вызывает Рис. 13

движение по окружности. Следовательно, электрон, влетевший в маг­нитное поле, будет двигаться по окружности в плоскости, перпендикулярной линиям индукции, со скоростью, рав­ной поперечной составляю­щей u₁скорости (рис. 13); одновременно он будет дви­гаться и вдоль поля со ско­ростью u_||:

u_|| = u sin a, u_|| = u cos a.

В результате одновременного участия в движениях по окружно­сти и по прямой электрон будет двигаться по винтовой линии.

Радиус окружности, по которой движется электрон, найдем сле­дующим образом. Сила Лоренца F сообщает электрону нормальное ускорение а_п. По второму закону Ньютона, F=ma_n, где F=|e|u₁B и a_n=u² ^R,. Тогда

|e|u^B = mu₂²/R,

откуда после сокращения на u_zнаходим радиус винтовой линии:

Подставив значения величин т, u, e, В и a и произведя вычисле­ния, получим

R=0,19 мм.

Шаг винтовой линии равен пути, пройденному электроном вдоль поля со скоростью u_x завремя, которое понадобится электрону для того, чтобы совершить один оборот,

h =u_|| T (2)

где T=2pR/u_^— период вращения электрона. Подставив это выра­жение для Т в формулу (2), найдем

Подставив в эту формулу значения величин p, R и a и вычислив, получим h=2,06 мм.

Пример 14.Электрон движется воднородном магнитном поле с индукцией В=0,03 Тл поокружности радиусом r=10см. Опреде­лить скорость uэлектрона.

Решение. Движение электрона по окружности в однородном магнитном поле совершается под действием силы Лоренца (см. примеры 1 и 2). Поэтому можно написать

(1)

откуда найдем импульс электрона:

р=тu=|е|Вr. (2)

Релятивистский импульс выражается формулой

Выполнив преобразования, получим следующую формулу для определения скорости частицы:

(3)

В данном случае р= |e|Br. Следовательно,

В числитель и знаменатель формулы (4) входит выражение |е| В_r(т₀с). Вычислим его отдельно:

|е| В_r / (m₀c) = 1,76.

Подставив найденное значение отношения |е| В_r(т₀с) в формулу (4), получим

b = 0,871, или u = сb= 2,61-10⁸ м/с.

Электрон, обладающий такой скоростью, является релятивистским.

Пример 15.Альфа-частица прошла ускоряющую разность потенциалов U=104 В и влетела в скрещенные под прямым углом электрическое (E=10 кВ/м) и магнитное (B=0,1 Тл) поля. Найти отношение заряда альфа-частицы к ее массе, если, двигаясь перпендикулярно обоим полям, частица не испытывает отклонений от прямолинейной траектории.

Решение. Для того чтобы найти отношение заряда Q альфа-частицы к ее массе m, воспользуемся связью между работой сил электрического поля и изменением кинетической энергии частиц:

QU=mu²/2,

откуда

Q/m=u²/(2U). (1)

Скорость u альфа-частицы найдем из следующих соображений. В скрещенных электрическом и магнитном полях на движущуюся заряженную частицу действуют две силы:

а) сила Лоренца F_л=Q[vВ], направленная перпендикулярно скорости v и вектору магнитной индукции В;

б) кулоновская сила F_K=QE, сонаправленная с вектором напряженности Е электростатического поля (Q>0).

Сделаем рисунок с изображением координатных осей и векторных

величин. Направим вектор магнитной индукции В вдоль оси О_z (рис. 14), скорость v—в положительном направлении оси Ох, тогда F_л и F_k будут направлены так, как это указано на ри­сунке.

Альфа-частица не будет испытывать отклонения, если геометри­ческая сумма сил F_л+F_k будет равна нулю. В проекции на ось

Рис. 14

Оу получим следующее равенство (при этом учтено, что вектор ско­рости v перпендикулярен вектору магнитной индукции В и sin (v^ÙB)=l):

QE—QuB = O,

откуда

u =E/B.

Подставив это выражение скорости в формулу (1), получим

Q/m=E²( 2UB²).

Убедимся в том, что правая часть равенства дает единицу отно­шения заряда к массе (Кл/кг):

Произведем вычисления:

Пример 16. В одной плоскости с бесконечно длинным прямым проводом, по которому течет ток I=50 А, расположена прямоуголь­ная рамка так, что две большие стороны ее длиной l=65 см парал­лельны проводу, а расстояние от провода до ближайшей из этих сторон равно ее ширине. Каков магнитный поток Ф, пронизываю­щий рамку?

Решение. Магнитный поток Ф через поверхность площадью S определяется выражением

Рис. 15

В нашем случае вектор магнитной индукции В перпендикулярен плоскости рамки. Поэтому для всех точек рамки В_n=В. Магнитная индукция В, создаваемая бесконечно длинным прямым проводником с током, определяется формулой

,

где x— расстояние от провода до точки, в которой определяется В.

Для вычисления магнитного потока заметим, что так как В зависит от х и элементарный поток Ф будет также за­висеть от х, то

dФ=B(x)dS.

Разобьем площадь рамки на узкие элементарные площадки длиной l, шири­ной dx и площадью dS=ldx (рис. 15). В пределах этой площадки магнитную индукцию можно считать постоянной, так как все части площад­ки равноудалены (на расстояние х) от провода. С учетом сделанных замечаний элементарный магнитный поток можно записать в виде

dФ=

Проинтегрировав полученное выражение в пределах от x₁=a до х₂=2а, найдем

|_p^2p.

Подставив пределы, получим

Убедимся в том, что правая часть полученного равенства дает единицу магнитного потока (Вб): [m₀] [I] [l]= Гн/м ×1 А ×1 м=1 Вб. Произведя вычисления по формуле (1), найдем Ф=4,5 мкВб.

Пример 17. Определить индукцию В и напряженность Н магнит­ного поля на оси тороида без сердечника, по обмотке которого, со­держащей N=200 витков, идет ток I=5 А. Внешний диаметр d₁тороида равен 30 см, внутренний d₂= 20 см.

Решение. Для определения напряженности магнитного поля внутри тороида вычислим циркуляцию вектора Н вдоль линии маг­нитной индукции поля:

Из условия симметрии следует, что линии магнитной индукции тороида представляют собой окружности и что во всех точках этой линии напряженности одинаковы. Поэтому в выражении циркуля­ции напряженность Н можно вынести за знак интеграла, а интегри­рование проводить в пределах от нуля до 2 pr, где r — радиус ок­ружности, совпадающей с линией индукции, вдоль которой вычис­ляется циркуляция,

(1)

С другой стороны, в соответствии с законом полного тока цир­куляция вектора напряженности магнитного поля равна сумме то­ков, охватываемых контуром, вдоль которого вычисляется цирку­ляция:

(2)

Приравняв правые части равенств (1) и (2), получим

(3)

Линия, проходящая вдоль тороида, охватывает число токов, равное числу витков тороида. Сила тока во всех витках одинакова. Поэтому формула (3) примет вид 2prH=-NI, откуда

(4)

Для средней линии тороида r=1/2(R₁R₂)=1/4(d₁+d₂). Подставив это выражение r в формулу (4), найдем

(5)

Магнитная индукция В₀в вакууме связана с напряженностью поля соотношением B₀=m₀H. Следовательно,

(6)

Подставив значения величин в выражения (5) и (6), получим:

H=1,37 кА/м, B₀=1,6 мТл.

Пример 18. Виток, по которому течет ток I=20 А, свободно уста­новится в однородном магнитном поле В=16 мТл. Диаметр d витка равен 10 см. Какую работу нужно совершать, чтобы медленно по­вернуть виток на угол a=p/2 относительно оси, совпадающей с диа­метром?

Решение. При медленном повороте контура в магнитном поле индукционными токами можно пренебречь и считать ток в контуре

неизменным. Работа сил поля в этом случае определяется выраже­нием

где Ф₁ и Ф₂ — магнитные потоки, пронизывающие контур в началь­ном и конечном положениях.

Работа внешних сил будет равна модулю работе сил поля и про­тивоположна ей по знаку, т. е.

(1)

Так как в начальном положении контур установился свободно (по­ложение устойчивого равновесия), то момент внешних сил, действующий на контур, равен нулю. В этом положении вектор магнитного мо­мента Рис. 17 p_m контура сонаправлен с вектором В (рис. 17, а) и магнит­ный поток Ф₁ максима­лен (a=0, cos a=1), т. е. Ф₁=ВS (где S — площадь контура).

В ко­нечном положении (рис. 17, б) вектор p_m перпендикулярен вектору B(a=p/2, cos a=0) и маг­нитный поток Ф₂=0. Перепишем выражение (1) с учетом сделан­ных замечаний:

Так как площадь контура S=pd²/4. то работа

Убедимся в том, что правая часть равенства дает единицу работы (Дж):

Произведем вычисления:

Пример 19. В однородном магнитном поле с индукцией B=0,1 Тл равномерно вращается рамка, содержащая N= 1000 витков, с часто­той n=1 c ^-1. Площадь S рамки равна 150 см². Определить мгновен­ное значение ЭДС, соответствующее углу поворота рамки 30°.

Решение. Мгновенное значение ЭДС индукции , определя­ется основным уравнением электромагнитной индукции Фарадея — Максвелла:

(1)

Потокосцепление Y=NФ, где N — число витков, пронизывае­мых магнитным потоком Ф. Подставив выражение Y в формулу (1), получим

(2)

При вращении рамки магнитный поток Ф, пронизывающий рам­ку в момент времени t, изменяется по закону Ф=ВS cosw t, где В — магнитная индукция; S — площадь рамки; w— угловая частота. Подставив в формулу (2) выражение Ф и продифференцировав по времени, найдем мгновенное значение ЭДС индукции:

(3)

Угловая частота со связана с частотой п вращения соотношением w=2pп. Подставив выражение со в формулу (3) и заменив wt на угол a, получим

(4)

Убедимся в том, что правая часть полученного равенства дает единицу ЭДС (В). Учтя, что 2 p, N и sin wt — величины безразмер­ные и неименованные, получим

Произведя вычисления по формуле (4), найдем

Пример. 20. По соленоиду течет ток I=2 А. Магнитный поток Ф, пронизывающий поперечное сечение соленоида, равен 4 мкВб. Оп­ределить индуктивность L соленоида, если он имеет N=800 витков.

Решение. Индуктивность L соленоида связана с потокосцеплением Y соотношением Y=LI, откуда L=Y/I. Заменив здесь потокосцепление Y его выражением через магнитный поток Ф и число витков N соленоида (Y=ФN), получим

(1)

Произведя вычисления по формуле (1), получим

L == 1,6 мГн.

Пример 21. При скорости изменения силы тока DI/Dt в соле­ноиде, равной 50 А/с, на его концах возникает ЭДС самоиндук­ции 0,08 В. Определить индуктивность L соленоида.

Решение. Индуктивность соленоида связана с ЭДС само­индукции и скоростью изменения силы тока в его обмотке соотноше­нием *

Вынося постоянную величину L за знак приращения, получим

Опустив знак минус в этом равенстве (направление ЭДС в данном случае несущественно) и выразив интересующую нас величину — индуктивность, получим

Сделав вычисления по этой формуле, найдем

L=1,6 мГн.

Пример 22. Обмотка соленоида состоит из одного слоя плотно прилегающих друг к другу витков медного провода диаметром d=0,2 мм. Диаметр D соленоида равен 5 см. По соленоиду течет ток I=1 А. Определить количество электричества Q, протекающее через обмотку, если концы ее замкнуть накоротко. Толщиной изо­ляции пренебречь.

Решение. Возможны два способа решения, 1-й способ. Ко­личество электричества dQ, которое протекает по проводнику за время dt при силе тока I, определяется равенством

(1)

Полное количество электричества, протекающее через проводник за время t, будет . Сила тока в данном случае убывает экспоненциально со временем и выражается формулой

Внося выражение силы тока I под знак интеграла и интегрируя от 0 до ¥ (при t®¥I®0), получим

Подставим пределы интегрирования и определим количество электричества, протекающее через обмотку:

(2)

2-й способ. Подставив в формулу (1) вместо силы тока I выраже­ние ее через ЭДС индукции , и сопротивление R соленоида, т. е.

Но связана со скоростью изменения потокосцепления Y по закону Фарадея —Максвелла: =-dY/dt, тогда

Интегрируя, получаем

(3)

Потокосцепление Y пропорционально силе тока в соленоиде. Следовательно, Y₁=LI₀; Y₂=0, так как Y₂ соответствует тому мо­менту, когда ток в цепи обратится в нуль. Подставив выражения Y₁ и Y₂ в формулу (3), получим Q=Y₁/R, или

что совпадает с формулой (2). Для определения заряда, протекающего через обмотку соленои­да, следует найти индуктивность L соленоида и сопротивление R обмотки соленоида, которые выражаются формулами

где m₀ — магнитная постоянная; N — число витков; l₁ — длина соленоида; S₁ — площадь сечения соленоида; r — удельное сопро­тивление провода; l—длина провода; S—площадь сечения про­вода; d—диаметр провода; d₁—диаметр соленоида.

Подставив найденные выражения L и R в формулу (2), получим

Заметим, что длина провода l может быть выражена через диа­метр d₁ соленоида соотношением l=pd₁ N, где N — число витков, тогда формуле (4) можно придать вид

Но l₁/N есть диаметр провода, так как витки плотно прилегают друг к другу. Следовательно,

Произведя вычисления по формуле (5), получим

Q=363 мкКл.

Пример 23. На стержень из немагнитного материала длиной l=50 см намотан в один слой провод так, что на каждый сантиметр длины стержня приходится 20 витков. Определить энергию W маг­нитного поля внутри соленоида, если сила тока I в обмотке равна 0,5 А. Площадь S сечения стержня равна 2 см².

Решение. Энергия магнитного поля соленоида с индуктив­ностью L, по обмотке которого течет токI, выражается формулой

. (1)

Индуктивность соленоида в случае немагнитного сердечника за­висит только от числа витков на единицу длины и от объема V сер­дечника: L=μ₀n²V, где μ₀ —магнитная постоянная. Подставив вы­ражение индуктивности L в формулу (1), получим . Учтя, что V=lS, запишем

. (2)

Сделав вычисления по формуле (2), найдем

W=126 мкДж.

Пример 24. По обмотке длинного соленоида со стальным сердеч­ником течет ток I=2А. Определить объемную плотность ω энергии магнитного поля в сердечнике, если число п витков на каждом сан­тиметре длины соленоида равно 7 см^-1.

Решение. Объемная плотность энергии магнитного поля оп­ределяется по формуле

. (1)

Напряженность Н магнитного поля найдем по формуле H=nl. Подставив сюда значения п (п =7 см^-1=700 м^-1) и I, найдем

H=1400 А/м.

Магнитную индукцию В определим по графику (рис. 18) зависимости В от Н. Находим, что напряженности H=1400 А/м со­ответствует магнитная индукция B=1,2 Тл.

Произведя вычисление по формуле (1), найдем объемную плот­ность энергии:

ω=840 Дж/м³.

Пример 25. На железный сердечник длиной l=20 см малого се­чения (d<l) намотано N=200 витков. Определить магнитную прони­цаемость μ железа при силе тока I=0,4 А.

Решение. Магнитная проницаемость μ связана с магнитной индукцией В и напряженностью Н магнитного поля соотношением

B= μ₀μH. (1)

Эта формула не выражает линейной зависимости В от Н, так как μ является функцией Н. Поэтому для определения магнитной прони­цаемости обычно пользуются графиком зависимости В(Н) (см. рис. 24.1). Из формулы (1) выразим магнитную проницаемость:

μ =B/( μ₀H).

Напряженность Н магнитного поля вычислим по формуле (ка­тушку с малым сечением можно принять за соленоид) Н=п1, где п — число витков, приходящихся на отрезок катушки длиной 1 м. Выразив в этой формуле п через число N витков катушки и ее дли­ну l, получим

H=(N/l)I.

Подставив сюда значения N, l и I и произведя вычисления, най­дем

H=400 А/м.

По графику находим, что напряженности Н=400 А/м соответст­вует магнитная индукция B=1,05 Тл. Подставив найденные значе­ния В и Н, а также значение μ₀ в формулу (2), вычислим магнитную проницаемость:

μ=2,09 ∙10³.

Пример 26. Колебательный контур, состоящий из воздушного кон­денсатора с двумя пластинами площадью S=100 см² каждая и катушки с индуктивностью L=l мкГн, резонирует на волну длиной λ=10 м. Определить расстояние d между пластинами конденсатора.

Решение. Расстояние между пластинами конденсатора мож­но найти из формулы электроемкости плоского конденсатора С=ε₀εS/d, где ε — диэлектрическая проницаемость среды, заполняю­щей конденсатор, откуда

d=ε₀εS/C (1)

Из формулы Томсона, определяющей период колебаний в элек­трическом контуре: , находим электроемкость

. (2)

Неизвестный в условии задачи период колебаний можно опреде­лить, зная длину волны λ, на которую резонирует контур. Из соот­ношения λ =сТ имеем

Т= λ /с.

Подставив выражения периода Т в формулу (2), а затем электро­емкости С в формулу (1), получим

.

Произведя вычисления, найдем d=3,14 мм.

Пример 27. Колебательный контур состоит из катушки с индук­тивностью L= 1,2 мГн и конденсатора переменной электроемкости от C₁=12 пФ до С₂=80 пФ. Определить диапазон длин электромаг­нитных волн, которые могут вызывать резонанс в этом контуре. Активное сопротивление контура принять равным нулю.

Решение. Длина λ электромагнитной волны, которая может вызвать резонанс в колебательном контуре, связана с периодом Т колебаний контура соотношением

λ =сТ. (1)

Период колебаний, в свою очередь, связан с индуктивностью L катушки и электроемкостью С конденсатора колебательного конту­ра соотношением (формула Томсона) . Следовательно,

. (2)

Согласно условию задачи, индуктивность контура неизменна, а электроемкость контура может изменяться в пределах от C₁ до C₂. Этим значениям электроемкости соответствуют длины волн λ₁ и λ₂,, определяющие диапазон длин волн, которые могут вызвать резо­нанс. После вычислений по формуле (2) получим:

λ₁=226м; λ₂=585 м.

Таблица вариантов

Контрольная работа № 4