Κατηγορία: 4.05 Ηλεκτρομαγνητισμός

Σωματίδιο μάζας m = 10^-27kg και φορτίου q = 10^-19C εκτοξεύεται με ταχύτητα οριζόντιας διεύθυνσης και εισέρχεται στο σημείο Α, στο εσωτερικό οριζόντιου ρευματοφόρου σωληνοειδούς απείρου μήκους, όπως φαίνεται στο σχήμα, κάθετα στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο κυκλικής διατομής, κέντρου Ο, έχει ακτίνα R = 0,2m και η γωνία που σχηματίζει η διεύθυνση της ταχύτητας με την ακτίνα ΟΑ είναι θ = π/6 rad. Το σωληνοειδές έχει n = 10⁴ σπείρες/m και διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι = 25/πΑ. Η τροχιά του σωματιδίου διέρχεται από το κέντρο Ο του κύκλου. Δίνεται μ₀/4π = 10^-7Ν/Α² και ότι στο εξωτερικό του σωληνοειδούς το μαγνητικό πεδίο είναι μηδενικό.

i) Βρείτε το μέτρο και την κατεύθυνση της έντασης του ομογενούς μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του σωληνοειδούς.

ii) Ποιο πρέπει να είναι το μέτρο υ₀ της ταχύτητας του σωματιδίου;

iii) Ποια είναι η μεταβολή της ορμής του σωματιδίου στη διαδρομή ΑΟ;

iv) Πόσο χρόνο θα χρειαστεί το σωματίδιο για να διανύσει το τόξο ΑΟ;

v) Αν η ταχύτητα εισόδου του σωματιδίου στο μαγνητικό πεδίο διπλασιαστεί, ο χρόνος για να διανύσει το τόξο ΑΟ

α. θα διπλασιαστεί

β. θα υποδιπλασιαστεί

γ. θα παραμείνει σταθερός.

Δικαιολογείστε τη σωστή απάντηση.

Απάντηση 

Απάντηση 

Κίνηση αγωγού σε γραμμικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο

Μια ομογενής και ισοπαχής ράβδος μήκους D = 0,5m, αντίστασης R = 5Ω και μάζας m = 0,24kg μπορεί να κινείται χωρίς τριβές πάνω σε δύο παράλληλους κατακόρυφους μεταλλικούς οδηγούς, που απέχουν μεταξύ τους απόσταση L = 0,4m και ισαπέχουν από τα άκρα του αγωγού. Οι οδηγοί συνδέονται με πηγή, που περιέχει κατάλληλη ηλεκτρονική διάταξη ώστε να παρέχει στον αγωγό σταθερή τάση V = 16V.  Ο αγωγός συγκρατείται ακίνητος και όλο το σύστημα βρίσκεται μέσα σε ένα κάθετο στο επίπεδό του μαγνητικό πεδίο έντασης , που περιορίζεται σε μια ορθογώνια περιοχή, με τα όριά της να ισαπέχουν κατά d = 0,05m από τους κατακόρυφους οδηγούς, όπως στο σχήμα. Τη χρονική στιγμή t₀ = 0s, ο αγωγός αφήνεται ελεύθερος, ενώ ταυτόχρονα το μαγνητικό πεδίο αρχίζει να μεταβάλλεται με το χρόνο σύμφωνα με τη σχέση: B(t) = 1+ 0,5t (S.I.) Δίνεται g = 10m/s², δεν λαμβάνονται υπόψη φαινόμενα επαγωγής και ο αγωγός κινείται συνεχώς υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου.

i) Υπολογίστε την ένταση του ρεύματος, που διαρρέει τον αγωγό.

ii) Βρείτε την αλγεβρική τιμή της δύναμης Laplace που ασκείται στον αγωγό σε συνάρτηση με τον χρόνο. Τι κίνηση θα κάνει ο αγωγός;

iii) Να κάνετε τη γραφική παράσταση της συνισταμένης δύναμης στον αγωγό σε συνάρτηση με το χρόνο από τη χρονική στιγμή t₀ = 0s, μέχρι τη χρονική στιγμή t₂ = 4s. Ποιo είναι το μέτρο της ταχύτητας του αγωγού τη χρονική στιγμή t₂; Ποιο είναι το μέτρο της μέγιστης ταχύτητας του αγωγού;

iv) Βρείτε την ισχύ κάθε δύναμης τη χρονική στιγμή t₃ = 1s και τον αντίστοιχο ρυθμό μεταβολής κινητικής ενέργειας.

Απάντηση 

Απάντηση 

Ένα πρωτόνιο p(m, +e), ένα δευτερόνιο d(2m, +e) και ένα ιόν He⁺² He(4m, +2e), αφού εισέλθουν με αμελητέα κινητική ενέργεια στο ίδιο σημείο Α, σχεδόν ταυτόχρονα, τη χρονική στιγμή t₀ = 0s, στην κατεύθυνση των δυναμικών γραμμών ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου έντασης και εύρους ΑΓ = d, επιταχύνονται και εξέρχονται από το πεδίο.

i) Να κατατάξετε τα σωματίδια κατά αύξουσα σειρά ως προς το ειδικό φορτίο τους λ = q/m

ii) Να κατατάξετε τα σωματίδια κατά αύξουσα σειρά ως προς

α) τη χρονική στιγμή της εξόδου

β) το μέτρο της ταχύτητας εξόδου

από το ηλεκτρικό πεδίο.

Τα σωματίδια στη συνέχεια εισέρχονται στη διεύθυνση άξονα Οx, κάθετα στις δυναμικές γραμμές οριζόντιου ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης , που οριοθετείται από τον άξονα Ψ΄Ψ, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα και καλύπτει αρκετή περιοχή, ώστε τα σωματίδια να εξέλθουν πάλι από τον άξονα Ψ΄Ψ.

iii) α) Να σχεδιάσετε την τροχιά που θα διαγράψει κάθε σωματίδιο.

β) Να κατατάξετε τα σωματίδια με βάση το χρονικό διάστημα παραμονής στο μαγνητικό πεδίο, κατά αύξουσα σειρά.

Να δικαιολογήσετε τις απαντήσεις σας.

Θεωρούμε αμελητέα την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων και δεν υπάρχουν βαρυτικές δυνάμεις.

Απάντηση 

Απάντηση 

Διαθέτουμε δυο λεπτά σύρματα Σ₁ και Σ₂ πολύ μεγάλου μήκους. Τα κάμπτουμε ώστε να δημιουργήσουμε δυο αγωγούς, τους οποίους συνδέουμε σε σειρά όπως στο σχήμα 1. Ο αγωγός Σ που σχηματίζεται έχει ένα ημικύκλιο ακτίνας R και δυο ημιευθείες Αx, Γy. Όταν διαρρέει τον αγωγό Σ ρεύμα έντασης I, η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Ο του ημικυκλίου είναι B. Αποσυνδέουμε το σύστημα, κάμπτουμε εκ νέου τα σύρματα σε σχήμα ορθής γωνίας, τα τοποθετούμε όπως στο σχήμα 2 και τα τροφοδοτούμε με ρεύμα ίδιας έντασης Ι΄. Στο ευθύγραμμο τμήμα ΔΚ, που συνδέει τις κορυφές των ορθών γωνιών το σημείο Ο είναι μέσον με ΔΟ = ΟΚ = R. Αφού βρείτε τη φορά  του ρεύματος σε κάθε αγωγό, υπολογίστε ποια από τις παρακάτω είναι η τιμή της έντασης Ι΄, ώστε στο σημείο Ο το μαγνητικό πεδίο να έχει πάλι ένταση B.

α) Ι΄= 2πΙ

β) Ι΄= ½ ∙(π+2)Ι

γ) Ι΄= Ι

Απάντηση 

Απάντηση 

α) Χωρίς να κάνετε αριθμητικές πράξεις δώστε την εξίσωση υπολογισμού του μέτρου Β₁ της έντασης του μαγνητικού πεδίου, που δημιουργεί ο αγωγός Σ₁ στο σημείο Ο.

β) Δικαιολογείστε ποια είναι η φορά του ρεύματος i₂.

γ) Υπολογίστε την επίκεντρη γωνία φ του κυκλικού τόξου.

δ) Αν δίνονται R = 0,02m, μ₀/4π = 10^-7Ν/Α², γράψτε την εξίσωση της ευθείας του σχήματος 2 και υπολογίστε τις τιμές Β_Ο,αρχ και Β_Ο,τελ.

Απάντηση 

Απάντηση 

Δύο ευθύγραμμοι μεταλλικοί αγωγοί Σ1 και Σ2 αμελητέας αντίστασης, συγκολλούνται μεταξύ τους στο ένα τους άκρο και τοποθετούνται σε οριζόντιο τραπέζι ώστε να είναι ακλόνητοι, με τη γωνία xAy = 90⁰. Ένας τρίτος αγωγός Σ3 μήκους L = 2m, κινείται με σταθερή ταχύτητα και βρίσκεται κάθε στιγμή σε αγώγιμη επαφή με τους δύο σταθερούς αγωγούς, έτσι ώστε το ορθογώνιο τρίγωνο που σχηματίζεται από τους τρεις αγωγούς να είναι ισοσκελές. Τη χρονική στιγμή t = 0s το μέσον Μ του αγωγού Σ3 διέρχεται από το σημείο Α. H ταχύτητα του αγωγού Σ3 έχει μέτρο υ = (√2/4)m/s, διεύθυνση παράλληλη προς τον αγωγό Σ1, όπως στο σχήμα και επιτυγχάνεται με την εξάσκηση κατάλληλης δύναμης . Κάθετα στο επίπεδο του τριγώνου διέρχονται οι δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης μέτρου Β = 1Τ .

α) Εξηγείστε γιατί δημιουργείται επαγωγικό ρεύμα στο τριγωνικό πλαίσιο που δημιουργείται από τους τρεις αγωγούς και προσδιορίστε τη φορά του.

β) Υπολογίστε την ΗΕΔ επαγωγής που αναπτύσσεται στο πλαίσιο σε συνάρτηση με το χρόνο και κάνετε την αντίστοιχη γραφική παράσταση σε βαθμολογημένους άξονες, μέχρι τη χρονική στιγμή t₁ που θα χάσει ο αγωγός Σ3 την επαφή του με τους Σ1, Σ2.

γ) Αν η αντίσταση ανά μονάδα μήκους του πλαισίου είναι R^*= 0,125Ω/m, υπολογίστε το επαγωγικό ρεύμα που διαρρέει το πλαίσιο σε συνάρτηση με το χρόνο.

δ) Βρείτε τη χρονική εξίσωση της εξωτερικής δύναμης που ασκούμε για να κινείται ο αγωγός με σταθερή ταχύτητα.

ε) Βρείτε τη χρονική εξίσωση της παρεχόμενης ισχύος από τη δύναμη και από την αντίστοιχη γραφική παράσταση υπολογίστε το έργο της δύναμης μέχρι τη χρονική στιγμή t₁.

στ) Να βρείτε όλους τους μετασχηματισμούς της ενέργειας ανά μονάδα χρόνου και να επαληθεύσετε την Διατήρηση της Ενέργειας, μέχρι τη χρονική στιγμή t₁.

Απάντηση 

Απάντηση 

Στο σχήμα φαίνονται δύο τετράγωνα συρμάτινα πλαίσια Π₁, Π₂ με πλευρές α και b αντίστοιχα, συνδεδεμένα μεταξύ τους, που παρουσιάζουν αντίσταση ανά μονάδα μήκους R^*. Ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β εφαρμόζεται με τις δυναμικές του γραμμές κάθετες στο επίπεδο των πλαισίων και το μέτρο της έντασης να μεταβάλλεται σύμφωνα με τη σχέση Β = 4kt (S.I.), όπου k = 2Τ/s. Θεωρούμε το εμβαδικό διάνυσμα n, ομόρροπο του B.

α) Σχεδιάστε στο σχήμα την πολικότητα της ΗΕΔ επαγωγής που αναπτύσσεται σε κάθε πλαίσιο, δικαιολογώντας τη φορά της.

β) Υπολογίστε την ένταση του επαγωγικού ρεύματος στο κύκλωμα και δικαιολογείστε τη φορά του.

γ) Κάποιος ισχυρίζεται ότι οι δύο ΗΕΔ προσφέρουν ενέργεια στο ηλεκτρικό ρεύμα. Συμφωνείτε ή διαφωνείτε; Δικαιολογείστε την απάντησή σας.

Απάντηση 

Απάντηση 

Πάνω σε ένα οριζόντιο τραπέζι ηρεμεί ένα ορθογώνιο συρμάτινο πλαίσιο, διαστάσεων α = 0,4m και β = 0,6m. Η μάζα του πλαισίου είναι m = 100g και ο συντελεστής τριβής ολίσθησης που εμφανίζει με το τραπέζι είναι μ = 0,5.

α) Ποιο είναι το μέτρο της οριζόντιας δύναμης , που απαιτείται για να κινείται το πλαίσιο με σταθερή ταχύτητα μέτρου υ = 2m/s;

Δημιουργούμε κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β = 0,75Τ έτσι ώστε κάποιο μέρος του πλαισίου να βρίσκεται μέσα σε αυτό, όπως φαίνεται το σχήμα. Θέλουμε να εξάγουμε το πλαίσιο από το μαγνητικό πεδίο με την ίδια σταθερή ταχύτητα μέτρου υ.

β) Εξηγείστε γιατί θα απαιτηθεί δύναμη μέτρου F₂ > F₁ .

γ) Αν το πλαίσιο παρουσιάζει αντίσταση ανά μονάδα μήκους R^* = 0,5Ω/m, βρείτε την αλγεβρική τιμή του επαγωγικού ρεύματος, που διαρρέει το πλαίσιο και εξηγείστε το πρόσημο που προκύπτει.

δ) Υπολογίστε το μέτρο F₂ της απαιτούμενης δύναμης.

ε) Να βρείτε όλους τους μετασχηματισμούς της ενέργειας ανά μονάδα χρόνου και να επαληθεύσετε την Διατήρηση της Ενέργειας.

Θεωρείστε το εμβαδικό διάνυσμα του πλαισίου, ομόρροπο της έντασης του μαγνητικού πεδίου και g = 10m/s².

Απάντηση 

Απάντηση