Задача по физике Квадратная рамка с током расположена в однородном магнитном поле. Нормаль к плоскости контура и силовые линия поля образуют угол α. Какую работу необходимо совершить, чтобы при неизменном токе в контуре его форму изменить на окружность? Сторона рамки а, сила тока I, индукция магнитного поля В.
Для определения работы, необходимой для изменения формы рамки с током из квадратной в окружную, необходимо учитывать магнитный момент рамки и работу, совершаемую в магнитном поле.
Магнитный момент рамки с током M⃗ \vec{M} M можно выразить как: M⃗=I⋅S⋅n⃗
\vec{M} = I \cdot S \cdot \vec{n} M=I⋅S⋅n
где I I I — сила тока, S S S — площадь рамки, а n⃗ \vec{n} n — единичный вектор нормали к плоскости рамки.
Для квадратной рамки с током, сторона которой равна a a a, площадь будет равна S=a2 S = a^2 S=a2. Таким образом, магнитный момент квадратной рамки можно записать как: M⃗к=I⋅a2⋅n⃗
\vec{M}_{к} = I \cdot a^2 \cdot \vec{n} Mк=I⋅a2⋅n
Для окружной рамки еслиеерадиусравен(r)если ее радиус равен ( r )еслиеерадиусравен(r), площадь будет равна S=πr2 S = \pi r^2 S=πr2, а магнитный момент будет равен: M⃗o=I⋅πr2⋅n⃗
\vec{M}_{o} = I \cdot \pi r^2 \cdot \vec{n} Mo=I⋅πr2⋅n
Для изменения формы рамки с квадратной на окружную, при неизменном токе, необходимо учитывать работу, совершаемую против момента силы, действующей на рамку из-за магнитного поля. Работа A A A, необходимая для изменения магнитного момента, может быть найден через разность потенциальной энергии: A=U<em>к−U</em>o
A = U<em>{к} - U</em>{o} A=U<em>к−U</em>o
где U=−M⃗⋅B⃗ U = -\vec{M} \cdot \vec{B} U=−M⋅B — потенциальная энергия в магнитном поле, и B⃗ \vec{B} B — вектор индукции магнитного поля.
Потенциальная энергия для квадратной рамки: U<em>к=−M</em>кBcos(α)=−Ia2Bcos(α)
U<em>{к} = -M</em>{к}B \cos(\alpha) = -I a^2 B \cos(\alpha) U<em>к=−M</em>кBcos(α)=−Ia2Bcos(α)
Потенциальная энергия для окружной рамки: U<em>o=−M</em>oBcos(α)=−Iπr2Bcos(α)
U<em>{o} = -M</em>{o}B \cos(\alpha) = -I \pi r^2 B \cos(\alpha) U<em>o=−M</em>oBcos(α)=−Iπr2Bcos(α)
Тогда работа, совершаемая при изменении формы рамки, будет равна: A=(−Iπr2Bcos(α))−(−Ia2Bcos(α))
A = \left(-I \pi r^2 B \cos(\alpha) \right) - \left(-I a^2 B \cos(\alpha)\right) A=(−Iπr2Bcos(α))−(−Ia2Bcos(α))A=IBcos(α)(a2−πr2)
A = I B \cos(\alpha) (a^2 - \pi r^2) A=IBcos(α)(a2−πr2)
Таким образом, работа, необходимая для изменения формы рамки с током из квадратной в окружную при неизменном токе, равна: A=IBcos(α)(a2−πr2)
A = I B \cos(\alpha) (a^2 - \pi r^2) A=IBcos(α)(a2−πr2)
Для определения работы, необходимой для изменения формы рамки с током из квадратной в окружную, необходимо учитывать магнитный момент рамки и работу, совершаемую в магнитном поле.
Магнитный момент рамки с током M⃗ \vec{M} M можно выразить как:
M⃗=I⋅S⋅n⃗ \vec{M} = I \cdot S \cdot \vec{n}
M=I⋅S⋅n где I I I — сила тока, S S S — площадь рамки, а n⃗ \vec{n} n — единичный вектор нормали к плоскости рамки.
Для квадратной рамки с током, сторона которой равна a a a, площадь будет равна S=a2 S = a^2 S=a2. Таким образом, магнитный момент квадратной рамки можно записать как:
M⃗к=I⋅a2⋅n⃗ \vec{M}_{к} = I \cdot a^2 \cdot \vec{n}
Mк =I⋅a2⋅n
Для окружной рамки еслиеерадиусравен(r)если ее радиус равен ( r )еслиеерадиусравен(r), площадь будет равна S=πr2 S = \pi r^2 S=πr2, а магнитный момент будет равен:
M⃗o=I⋅πr2⋅n⃗ \vec{M}_{o} = I \cdot \pi r^2 \cdot \vec{n}
Mo =I⋅πr2⋅n
Для изменения формы рамки с квадратной на окружную, при неизменном токе, необходимо учитывать работу, совершаемую против момента силы, действующей на рамку из-за магнитного поля. Работа A A A, необходимая для изменения магнитного момента, может быть найден через разность потенциальной энергии:
A=U<em>к−U</em>o A = U<em>{к} - U</em>{o}
A=U<em>к−U</em>o где U=−M⃗⋅B⃗ U = -\vec{M} \cdot \vec{B} U=−M⋅B — потенциальная энергия в магнитном поле, и B⃗ \vec{B} B — вектор индукции магнитного поля.
Потенциальная энергия для квадратной рамки:
U<em>к=−M</em>кBcos(α)=−Ia2Bcos(α) U<em>{к} = -M</em>{к}B \cos(\alpha) = -I a^2 B \cos(\alpha)
U<em>к=−M</em>кBcos(α)=−Ia2Bcos(α)
Потенциальная энергия для окружной рамки:
U<em>o=−M</em>oBcos(α)=−Iπr2Bcos(α) U<em>{o} = -M</em>{o}B \cos(\alpha) = -I \pi r^2 B \cos(\alpha)
U<em>o=−M</em>oBcos(α)=−Iπr2Bcos(α)
Тогда работа, совершаемая при изменении формы рамки, будет равна:
A=(−Iπr2Bcos(α))−(−Ia2Bcos(α)) A = \left(-I \pi r^2 B \cos(\alpha) \right) - \left(-I a^2 B \cos(\alpha)\right)
A=(−Iπr2Bcos(α))−(−Ia2Bcos(α)) A=IBcos(α)(a2−πr2) A = I B \cos(\alpha) (a^2 - \pi r^2)
A=IBcos(α)(a2−πr2)
Таким образом, работа, необходимая для изменения формы рамки с током из квадратной в окружную при неизменном токе, равна:
A=IBcos(α)(a2−πr2) A = I B \cos(\alpha) (a^2 - \pi r^2)
A=IBcos(α)(a2−πr2)