گام به گام پرسش ها و مسئله های فصل 3 صفحه 100 درس مغناطیس و القای الکترومغناطیسی فیزیک (2) رشته تجربی

1) با توجه به جهت گیری عقربه های مغناطیسی در شکل زیر، قطب های آهنربای میله ای و جهت خط های میدان مغناطیسی را تعیین کنید.

2) الف) آهنربای میله ای با قطب های نامشخص در اختیار داریم. دست کم دو روش را برای تعیین قطب های این آهنربا بیان کنید.
ب) خط های میدان مغناطیسی بین دو آهنربا در شکل زیر نشان داده شده است. اندازه میدان مغناطیسی را در نزدیکی قطب های آهنرباها با هم مقایسه کنید.

3) کودکی یک قطعه کوچک آهنی را بلعیده است. پزشک می خواهد آن را با دستگاه شکل زیر بیرون بیاورد.

الف) هنگامی که آهنربای دائمی به نوک ثابت آهنی نزدیک می شود چه اتفاقی می افتد؟
ب) ساختن نوک ثابت آهن چه مزیتی دارد؟
پ) این وسیله را باید به درون گلوی کودک وارد و به سوی فلز بلعیده شده هدایت کرد؛ چرا غلاف باید انعطاف پذیر باشد؟
ت) پزشک می خواهد یک گیره آهنی کاغذ و یک واشر آلومینیومی را از گلوی کودک بیرون بیاورد؛ کدام یک را می توان بیرون آورد؟ چرا؟

4) چهار ذره هنگام عبور از میدان مغناطیسی درون سو مسیرهایی مطابق شکل زیر می پیمایند. درباره نوع بار هر ذره چه می توان گفت؟

5) جهت نیروی مغناطیسی وارد بر بار مثبت را در هریک از حالت های نشان داده در شکل زیر تعیین کنید.

6) حلقه رسانای مستطیل شکلی که حامل جریان I است، مطابق شکل درون میدان مغناطیسی یکنواخت می چرخد. جهت جریان را در حلقه تعیین کنید.

7) پروتونی با تندی 10⁶ × 4/4 متر بر ثانیه درون میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازهٔ 18mT در جرکت است. جهت حرکت پروتون با جهت B ، زاویه 60 درجه می سازد.

الف) اندازهٔ نیروی وارد بر این پروتون را محاسبه کنید.
ب) اگر تنها این نیرو بر پروتون وارد شود، شتاب پروتون را حساب کنید. (بار الکتریکی پروتون ^19-10 × 1/6 کولن و جرم آن ^27-10 × 1/7 را در نظر بگیرید.)

8) ذرهٔ باردار مثبتی با جرم ناچیز و با سرعت v در امتداد محور x وارد فضایی می شود که میدان های یکنواخت E و B وجود دارد (شکل زیر). اندازه این میدان ها برابر E=450N/C و B=0/18T است. تندی ذره چقدر باشد تا در همان امتداد محور x به حرکت خود ادامه دهد؟

9) جهت نیروی الکترومغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان را در هر یک از شکل های الف، ب و پ با استفاده از قاعده دست راست بیابید.

10) یک سیم حامل جریان 1/6 آمپر مطابق شکل زیر با دو نیروسنج فنری که به دو انتهای آن بسته شده اند، به طور افقی و در راستای غرب ـ شرق قرار دارد. میدان مغناطیسی زمین را یکنواخت، به طرف شمال و اندازه 0/05mT بگیرید.

الف) اندازهٔ نیروی مغناطیسی وارد بر هر متر این سیم را پیدا کنید.

ب) اگر بخواهیم نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند، چه جریانی و در چه جهتی باید از سیم عبور کند؟ جرم هر متر از طول این سیم 8 گرم است (g=9/8N/kg)

11) یک آهنربای میله ای مطابق شکل زیر، بالای سیملوله ای آویزان شده است. توضیح دهید با بستن کلید K چه تغییری در وضعیت آهنربا رخ می دهد.

12) شکل زیر، دو سیم موازی و بلند حامل جریان را نشان می دهد. اگر میدان مغناطیسی برایند حاصل از این سیم ها در نقطه A صفر باشد، جهت جریان آن را در سیم 2 پیدا کنید.

13) سیملوله ای شامل 250 حلقه است که دور یک لوله پلاستیکی توخالی به طول 0.14 متر پیچیده شده است. اگر جریان گذرنده از سیملوله 0/8A باشد، اندازه میدان مغناطیسی درون سیملوله را حساب کنید.

14) در شکل زیر دو سیملوله P و Q هم محورند و طول برابر دارند. تعداد دور سیملوله  P برابر 200 و تعداد دور سیملوله  Qبرابر 300 است. اگر جریان 1A از سیملوله Q عبور کند، از سیملوله P چه جریانی باید عبور کند تا برایند میدان مغناطیسی ناشی از دو سیملوله در نقطه  M(روی محور دو سیملوله) صفر شود؟

15) شکل الف حوزه های مغناطیسی ماده فرومغناطیسی را درون میدان خارجی B نشان می دهد. شکل ب همان ماده را پس از حذف میدان B نشان می دهد. نوع ماده فرومغناطیسی را با ذکر دلیل تعیین کنید.

16) با توجه به آنچه در بخش ویژگی های مغناطیسی مواد دیدید، نقشه مفهومی زیر را کامل کنید.

17) دو سیملوله با حلقه های با مساحت یکسان ولی با تعداد دور متفاوت را مطابق شکل های زیر به ولتسنج حساسی وصل کرده ایم. دریافت خود را از این شکل ها بنویسید. (آهنرباها مشابه اند و با تندی یکسانی به طرف سیملوله ها حرکت می کنند.)

18) دو سیملوله مشابه را مطابق شکل های زیر به ولت سنج حساسی وصل کرده ایم. دریافت خود را از شکل های زیر بنویسید. (آهنرباها مشابه اند ولی با تندی متفاوتی به طرف سیملوله حرکت می کنند).

19) شکل زیر ساختمان یک بادسنج را نشان می دهد. اگر این بادسنج را روی بام خانه نصب کنیم، به هنگام وزیدن باد میله آن می چرخد و ولت سنج عددی را نشان می دهد.
الف) چرا چرخش میله سبب انحراف عقربه ولت سنج می شود؟
ب) آیا با افزایش تندی باد، عددی که ولت سنج نشان می دهد تغییر می کند؟ چرا؟
پ) برای بهبود و افزایش دقت کار دستگاه دو پیشنهاد ارائه دهید.

20) سطح حلقه های پیچه ای که دارای 1000 حلقه است، عمود بر میدان مغناطیسی یکنواختی که اندازه آن 0/040T و جهت آن از راست به چپ است، قرار دارد. میدان مغناطیسی در مدت s0.010 تغییر می کند و به 0/040T در خلاف جهت اولیه میرسد. اگر سطح هر حلقه پیچه 50cm² باشد، اندازهٔ نیروی محرکه القایی متوسط در پیچه را حساب کنید.

21) قطب N یک آهنربا را مطابق شکل زیر به یک حلقه رسانا نزدیک می کنیم. جهت جریان القایی را در حلقه مشخص کنید.

22) دو آهنربای میله ای مشابه را مطابق شکل، به طور قائم از ارتفاع معینی نزدیک سطح زمین رها می کنیم به طوریکه یکی از آنها از حلقه رسانایی عبور می کند. اگر سطح زمین در محل برخورد آهنرباها نرم باشد، مقدار فرورفتگی آهنرباها را در زمین با یکدیگر مقایسه کنید. (تأثیر میدان مغناطیسی زمین روی آهنرباها را نادیده بگیرید)

23) جهت جریان القایی را در هریک از حلقه های رسانای نشان داده شده در شکل های زیر تعیین کنید.

24) شکل زیر سیملوله حامل جریانی را نشان می دهد که در حال دور شدن از یک حلقه رساناست. جهت جریان القایی را در حلقه با ذکر دلیل تعیین کنید.

25) دو حلقه رسانا در نزدیکی یک سیم دراز حامل جریان ثابت I قرار دارند؛ این دو حلقه با تندی یکسان، ولی در جهت های متفاوت مطابق شکل زیر حرکت می کنند. جهت جریان القایی را در هر حلقه با ذکر دلیل تعیین کنید.

26) شکل زیر رسانای U شکلی را درون میدان مغناطیسی یکنواخت B که عمود بر صفحه شکل و رو به داخل صفحه است نشان می دهد. وقتی میله فلزی CD به طرف راست حرکت کند، جهت جریان القایی در مدار در چه جهتی است؟

27) در مدار نشان داده شده در شکل زیر، جهت جریان القایی را در مقاومت R در هریک از دو حالت زیر با ذکر دلیل پیدا کنید:
الف) در لحظه بستن کلید K، ب) در لحظه باز کردن کلید .

28) حلقه رسانای مربعی شکل، به طول ضلع 10Cm وارد میدان مغناطیسی درون سویی به اندازه 20mT سپس از آن خارج می شود.

الف) در کدام مرحله شار عبوری از حلقه بیشینه است؟ مقدار شار گذرنده از حلقه در این حالت چقدر است؟
ب) در کدام وضعیت (ها) شار گذرنده از حلقه تغییر می کند؟ جهت جریان القایی را در حلقه تعیین کنید.

29) حلقه رسانایی به طرف یک آهنربای میله ای حرکت می کند.شکل زیر، حلقه را در سه وضعیت نسبت به آهنربا نشان می دهد.
جهت جریان القایی را در حلقه برای هر وضعیت به طور جداگانه تعیین کنید.

30) شکل زیر مداری را نشان می دهد؛ شامل یک القاگر (سیملوله)، باتری، رئوستا و آمپرسنج که به طور متوالی به یکدیگر بسته شده اند. اگر بخواهیم بدون تغییر ولتاژ باتری، انرژی ذخیره شده در القاگر را زیاد کنیم چه راهی پیشنهاد می کنید؟

31) جریان متناوبی که بیشینه آن 2/0A و دوره آن 0/020s است، از یک رسانای 5 اهمی می گذرد.
الف) اولین لحظه ای که در آن جریان بیشینه است چه لحظه ای است؟ در این لحظه نیروی محرکه القایی چقدر است؟

ب)در لحظه t=1/400 s ، جریان چقدر است؟

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

2) الف)

1- با نخ آویزان کردن

آهن ربا را با نخ آویزان می کنیم پس از چند نوسان در امتداد شمال و جنوب جغرافیایی می ایستد قطبی که طرف شمال را نشان می دهد N و طرف دیگر S است.

2- استفاده از یک آهنربا با قطب معلوم

آهنربایی که قطب های مشخص دارد به آن نزدیک و از روی تاثیر قطب های N  و S بر یکدیگر قطب های آهن ربا مشخص می شود.

ب) چون تعداد خطوط و تراکم خطوط میدان مغناطیسی اطراف آهن ربای 2 بیشتر از تذاکم خطوط میدان آهن ربای 1 است پس B₂ > B₁ است.

3) الف) در اثر القای مغناطیسی، نوک ثابت آهنی، آهن ربا می شود.

ب) نوک ثابت از جنس آهنی،با نزدیک کردن آهن ربای دائمی به آن سریعا خاصیت مغناطیسی پیدا می کند و با دور کردن آهن ربای دائمی خاصیت آهن ربایی خود را به سرعت از دست می دهد.

پ) چون مجرای گوارشی انحنا دارد،این غلاف باید بتواند بدون آسیب به این مجرا وارد آن شود،در نتیجه باید انعطاف پذیر باشد.

ت) گیره آهنی کاغذ از جنس فرومغناطیس نرم است ، زود آهن ربا شده و جذب نوک ثابت آهنی می شود و بیرون کشیده می شود ولی آلومینیم پارا مغناطیس است و نمی توان به سهولت خاصیت مغناطیسی در آن القا کرد و به میدان مغناطیسی بسیار قوی نیاز است پس با این روش جذب نوک ثابت نخواهد شد.

4) با توجه به قانون دست راست نوع بار ذره 1 مثبت، نوع بار ذره 2 منفی،چون ذره 3 انحرافی ندارد خنثی است و نوع بار ذره 4 منفی است.

5) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

6) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

7) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

الف)

ب)

8) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

9) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

10) الف)

ب)

عبور چنین جریان بزرگی از چنین سیم در عمل امکان پذیر نیست. بنابراین،نمی توان انتظار داشت نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند.

11) با وصل کردن جریان ایجاد شده در سیملوله به سمت چپ بوده و با توجه به قانون دست راست قطب های ناهمنام سیملوله مجاور قطب های آهن ربای میله ای قرار می گیرد، که در این وضعیت قطب N آهن ربای میله ای به سمت پایین کشیده می شود.

12) میدان مغناطیسی سیم 1 در نقطه A درون سو است برای این که برایند میدان مغناطیسی در این نقطه صر شود باید میدان مغناطیسی سیم 2 برون سو باشد با کمک قانون دست  راست جهت جریان به سمت چپ می شود.

13)

14) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

15) شکل الف و ب، ماده فرومغناطیسی نرم

زیرا بلافاصله بعد از حذف میدان خارجی علاوه بر کاهش حجم حوزه ها جهت میدان حوزه ها به حالت کاتوره ای خود برمیگردند در نتیجه برآیند میدان ها در این مواد صفر شده و دیگر خاصیت آهن ربایی ندارند.

16) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

17) در شکل الف و ب با ورود آهن ربا به پیچه نیرو محرکه و جریانی در آن القا شده است با این تفاوت که در شکل ب که تعداد دور های پیچه بیشتر از الف است نیرو  محرکه و جریان بزرگتری القا می شود.

18) در شکل (ب) سرعت حرکت آهن ربا و در نتیجه آهنگ تغییر شار بیشتر از شکل الف است بنابراین نیروی محرکه القایی بیشتر است.

19) الف) با چرخ میله، آهنربای متصل به آن نیز می چرخد و سبب تغییر شار مغناطیسی در فضای اطراف خود می شود. این امر سب القای جریانی در سیم پیچ می شود.

ب) با افزایش سرعت،آهنگ تغییر شار مغناطیسی نیز افزایش می یابد و در نتیجه جریان بزرگتری در سیم پیچ القا می شود.

پ) استفاده از سیم پیچ  با تعداد دور های بیشتر و آهن ربای قویتر با روغن کاری دستگاه و کاهش اصطکاک همچنین استفاده از ولت سنج دقیق تر می تواند سبب بهبود و افزایش دقت دستگاه شود.

20) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

21) چون آهن ربا در حال نزدیک شدن به حلقه است شار مغناطیسی افزایش می یابد در نتیجه  میدان مغناطیسی حلقه خلاف جهت میدان  مغناطیسی آهن ربا خواهد بود با استفاده از قاعده دست راست برای خلقه ، جهت جریان در حلقه ساعتگرد خواهد بود.

22) آهن ربا هنگام عبور از حلقه رسانا، با مخالفتی زیر می شود که منشا آن به جریان القایی در حلقه مربوط است. بنابراین،آهن ربایی که از حلقه می گذرد ،کمتر در زمین فرو می رود.

23) الف) شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه برون سو و در حال افزای است طبق قانون لنز،شار مغناطیسیی حلقه باید با افزایش شار مخالفت کند با توجه به قاعده دست راست جهت جریان القایی،ساعتگرد را بوجود می آورد.

ب) شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه برون سو و در حال کاهش است طبق قانون لنز ،شار مغناطیسی حلقه باید با کاه شار مخالفت کند با توجه به قاعده دست راست جهت جریان القایی، پادساعتگرد را بوجود می آورد.

پ) چون جریان ثابت است شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه ثابت بوده و جریان القایی صفر می شود.

24) با ور شدن سیم لوله شار مغناطیسی کاهش می یابد. در نتیجه میدان مغناطیسی حلقه هم جهت با میدان مغناطیسی سیم لوله(به سمت راست)خواهد بود. با توجه به قاعده دست راست برای جریان القایی (برای ناظر در سمت سیملوله) در جهت پادساعتگرد می شود.

25) در حلقه سمت چپ، چون به موازا سیم دراز حامل جریان ثابت سیم I حرکت می کند،جریانی القا نمی شود. شار عبوری از حلقه در هر لحظه از زمان ثابت است و تغییری نمی کند. در حلقه سمت راست ، جریان در جهت ساعتگرد القا می شود تا کاهش شار عبوری از آن جبران شود.

26) با حرکت میله فلزی به سمت راست میدان عبوری از مساحت قاب افزایش و شار افززایش می یابد طبق قانون لنز برای مخالفت با افزایش شار جریان پاد ساعتگرد در قاب ایجاد می شود.

27) الف) با بستن کلید شار مغناطیسی افزایش می یابد میدان سیم لوله ها  خلاف جهت هم می شود. در نتیجه جریان در مقاومت R ازb بهa می باشد.

ب) باز باز کردن کلید شار مغناطیسی کاهش می یابد میدان  سیم لوله ها هم جهت هم می شود. در نتیجه جریان در مقتومت R از a به b می باشد.

28) الف) در 2 بیشترین شار مغناطیسی از حلقه می گذرد.

ب) در شکل 1 و 3 هنگام ورود و خروج قاب به میدان مغناطیسیی شار مغناطیسی تغییر می کند. طبق قاعده دست راست و قانون لنز جهت جریان القایی در شکل 1 پادساعتگرد و در شکل 3 ساعتگرد است.

29) حالت 1- با نزدیک شدن حلقه به آهن ربا شار مغناطیسی افزایش می یابد در نتیجه میدان مغناطیسی حلقه خلاف جهت میدان آهن ربا است بنابراین جریان مطابق شکل است.

حالت 2- تغییرات شار مغناطیسی در این حالت نداریم ،بنابراین جریان هم در حلقه القا نمی شود.

حالت 3- با دور شدن حلقه از آهن ربا شار مغناطیسی کاهش می یابد درنتیجه میدان مغناطیسی حلقه هم جهت میدان آهن ربا است بنابراین مطابق شکل است.

30) انرژی ذخیره شده در القاگر از رابطه U=1/2 LI² به دست می آید.با کاهش مقاومت رئوستا، جریان عبوری از مدار و در نتیجه القاگر افزایش می یابد. در این صورت انرژی بیشتری در القاگر ذخیره می شود. با قرار دادن یک هسته فرو مغناطیسی نرم درون القاگر (سیملوله)، ضریب خودالقایی آن افزایش می یابد و در نتیجه انرژی بیشتری در القاگر ذخیره می شود.

31) الف)

ب)