Сотрудники кафедры

Программы курсов

Научная работа школьников

Наши достижения в 1999-2000 учебном году

Кафедра физики готовит команды для участия в:

Преобразование
электрической энергии в механическую
на примере разгона проводящего кольца
магнитным полем

(Алексей Добрынин)

В работе теоретически и экспериментально изучено движение проводящего кольца в изменяющемся со временем магнитном поле, создаваемом катушкой индуктивности. На основе созданной математической модели получены оптимальные соотношения между параметрами установки, обеспечивающие заданные характеристики полета кольца. Математическая модель описывается системой из трех дифференциальных уравнений, которая аналитически решена с хорошим приближением и позволяет полностью описать движение кольца. Разработан компактный вариант  экспериментальной установки, предназначенный для демонстрации явления в любых аудиториях. С помощью экспериментальной установки получены различные экспериментальные данные, позволяющие провести сравнение теоретических выводов и результатов экспериментов. Получено удовлетворительное согласие между теорией и экспериментом.

Установка устроена следующим образом. Катушка индуктивности включена в электрическую схему, содержащую конденсатор и ключ. При разомкнутом положении ключа конденсатор заряжается от источника постоянного тока, при замкнутом положении происходит его разрядка через катушку. Металлическое кольцо помещается над катушкой таким образом, чтобы оно лежало на опоре. В момент переключения конденсатора в режим разрядки кольцо подпрыгивает вверх.

Причина явления заключается в следующем. Катушка индуктивности создает магнитное поле, которое имеет вертикальную и горизонтальную составляющие. Согласно закону электромагнитной индукции под действием вертикальной составляющей магнитного поля в кольце возникает Э.Д.С. и ток. Далее кольцо, являясь проводником с током, взаимодействует с горизонтальной составляющей магнитного поля и возникает действующая на кольцо сила Ампера.

Как известно, переменный ток не распределяется равномерно по сечению проводника, а оттесняется к поверхности (скин-эффект). Расчеты показывают, что на частоте работы этой установки скин-эффект проявляется при толщине проводника около 2 см. Поэтому, так как используемые проводники имеют много меньшую толщину, скин-эффектом можно пренебречь.

Для теоретического описания явления была использована следующая модель (см. рис.).