Железный стержень, подвешенный на пружине, колеблется в вертикальной плоскости (рис. 189). Сможет ли он полностью пройти через катушку при пропускании по ней тока? Проверьте на опыте.

рис. 189

Для решения этой задачи потребуется понимание физических явлений, связанных с магнитным полем, взаимодействием токов и металлических объектов, а также колебаниями. Рассмотрим подробно теоретическую часть.

Магнитное поле катушки

Катушка с током создает магнитное поле. Это поле является невидимой силовой структурой, которая распространяется вокруг проводника с током. Если пропустить электрический ток через катушку, вокруг неё возникает магнитное поле, которое концентрируется внутри самой катушки (в её сердечнике) и имеет форму близкую к цилиндрической.

Принцип действия катушки с током

Когда электрический ток проходит через витки катушки, каждое виток создаёт магнитное поле. Суммируя вклад каждого витка, внутри катушки образуется сильное концентрированное магнитное поле. Оно имеет определённую направленность, которая зависит от направления течения тока (определяется правилом правой руки).

Взаимодействие магнитного поля с железным стержнем

Железный стержень — это ферромагнитный материал, который способен усиливать магнитное поле за счёт своей высокой магнитной проницаемости. Когда ток проходит через катушку, магнитное поле начинает притягивать железный стержень к центру катушки. Это происходит потому, что магнитное поле индуцирует в стержне магнитное состояние, и стержень стремится занять положение, где магнитная энергия минимальна, то есть в центре катушки, где поле наиболее сильное.

Колебания железного стержня на пружине

Железный стержень подвешен на пружине, которая позволяет ему совершать вертикальные колебания. В отсутствии магнитного поля эти колебания подчиняются законам механики, связанным с гармоническим движением. Пружина, растягиваясь и сжимаясь, создает силу, стремящуюся вернуть стержень в положение равновесия. Таким образом, железный стержень совершает колебания вокруг положения равновесия.

Влияние магнитного поля на колебания

Когда через катушку пропускается ток, магнитное поле начинает действовать на стержень. Это поле создает дополнительную силу, направленную к центру катушки. Теперь на стержень действуют две силы:
1. Сила упругости пружины, которая стремится вернуть стержень в исходное положение.
2. Сила магнитного притяжения, которая стремится притянуть стержень внутрь катушки.

Эти силы взаимодействуют друг с другом, изменяя характер колебаний. Если магнитная сила достаточно сильна, она может значительно уменьшить амплитуду колебаний стержня, препятствуя его полному выходу из катушки.

Условия полного прохождения стержня через катушку

Для того чтобы стержень полностью вышел из катушки, необходимо, чтобы сила упругости пружины и инерция стержня в момент наибольшего отклонения от положения равновесия превышали силу магнитного притяжения. В противном случае магнитное поле будет удерживать стержень внутри катушки, не позволяя ему пройти через неё.

Законы, необходимые для анализа задачи

1. Закон Ампера: Определяет силу взаимодействия проводника с током и магнитного поля.
2. Закон механических колебаний: Определяет движение стержня на пружине.
3. Правило Ленца: Описывает поведение ферромагнитного материала в магнитном поле.
4. Сила Лоренца: Определяет действие магнитного поля на заряженные частицы.

Заключение

Для проверки, сможет ли стержень полностью пройти через катушку, нужно учитывать силу магнитного притяжения, силу упругости пружины и инерцию стержня во время колебаний. Проведение опыта позволит наглядно увидеть, как взаимодействуют эти силы.