گام به گام پرسش و مسئله های فصل 4 صفحه 128 درس 4 فیزیک (2) رشته ریاضی (القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب)

1) 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.)

2) دو سیملوله مشابه را مطابق شکل های زیر به ولتذسنج 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).

3) 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.

4) 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.

5) مساحت هر حلقه پیچه ای 30 cm² و پیچه متشکل از 1000 حلقه است. در ابتدا سطح پیچه ها بر میدان مغناطیسی زمین عمود است. اگر در مدت 0/020s پیچه بچرخد و سطح حلقه ها موازی میدان مغناطیسی زمین شود، نیروی محرکه متوسط القایی در آن چقدر است؟ اندازهٔ میدان زمین را 0/50G در نظر بگیرید.

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

7) 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)

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

9) 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.

10) اگر در مدار شکل زیر مقاومت رئوستا افزایش یابد، جریان القایی در حلقه رسانای داخلی در چه جهتی ایجاد می شود؟

11) 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.

12) حلقه رسانای مستطیل شکلی را مطابق شکل زیر به طرف راست می کشیم و از میدان مغناطیسی درون سویی خارج می کنیم. جهت جریان القایی در حلقه در چه جهتی است؟

13) 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؟

14) 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 .

15) 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.

16) 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.

17) 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؟

18) مساحت هر حلقه و طول سیملوله شکل زیر به ترتیب 20 cm² و  80cmاست. اگر این سیملوله از  1000 حلقه نزدیک به هم تشکیل شده باشد،
الف) ضریب القاوری آن را پیدا کنید.
ب) چه جریانی از سیملوله بگذرد تا در میدان مغناطیسی آن 0/40mJ انرژی ذخیره شود؟

19) جریان متناوبی که بیشینه آن 2A 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=1/400s ، جریان چقدر است؟

20) در مبدل آرمانی شکل زیر، اگر بیشینه ولتاژ دوسر مقاومت R  برابر 7/0V باشد، بیشینه ولتاژ مولد چقدر است؟

1) 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.

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

3) 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.

4) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

5) در این مسئله نیز نیم خط عمود بر پیچه را عمود بر خطوط میدان مغناطیسی زمین فرض کنیم بنابراین θ₁=0°  است. در حالتی که پیچه می چرخد و سطح حلقه های آن موازای میدان مغناطیسی زمین می شود θ₂=90°  می شود.

6) 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.

7) 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.

8) 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.

9) بارور 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.

10) چون نیروی محرکه باتری ثابت است، با افزایش مقاومت رئوستا، جریان عبوری از مدار کاهش می یابد، با توجه به تعیین جهت میدان مغناطسی در محل حلقه رسانا، و همچنین کاهش جریان در مدار، جهت جریان القایی در حلقه رسانا پادساعتگرد است.

11) 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.

12) ساعتگرد

13) 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.

14) 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.

15) 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.

16) 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 ییاد درنتیجه میدان مغناطیسی حلقه هم جهت میدان آهن ربا است بنابراین مطابق شکل است.

17) 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.

18) الف)

ب)

19) الف)

ب)

20)