Консультация № 183229
18.05.2011, 17:15
81.96 руб.
0 4 1
Здравствуйте! Прошу помощи в следующем вопросе:
Определите среднюю мощность, выделяемую в железном кольце из проволоки длиной 50 см внезапно удаленную из магнитного поля с индукцией В=500мкТл, диаметр провода 0,45мм (ρ=98нОм•м). Первоначально линии индукции перпендикулярны плоскости кольца.

Обсуждение

давно
Модератор
156417
2175
18.05.2011, 21:43
общий
это ответ
Здравствуйте, Лубошев Е.М.!
Обозначим величины следующим образом:
длина провода l=0,5 м
диаметр провода d1=0.45 мм=4.5[$183$]10-4м
радиус провода r1=d/2
площадь его сечения S1=[$960$]r12=[$960$]d12/4
удельное сопротивление [$961$]=9,8[$183$]10-8 Ом[$183$]м
сопротивление провода R1=[$961$]l/S1=4[$961$]l/[$960$]d12
радиус кольца r2=l/2[$960$]
площадь круга, ограниченного кольцом S2=[$960$]r22=l2/4[$960$]
индукция исходного магнитного поля B=5[$183$]10-4 Тл
Магнитный поток [$934$]=BS=Bl2/4[$960$]

Пусть индуктивность кольца L (эту величину обсудим в конце)
При мгновенном исчезновении внешнего магнитного поля в кольце создаётся огромная ЭДС, несоизмеримо большая возможного падения напряжения на сопротивлении провода при возникающем токе. Таким образом, эта ЭДС компенсируется практически исключительно ЭДС самоиндукции - возникающий в кольце ток создаёт магнитный поток, равный магнитному потоку внешнего поля.
В этом случае ток равен
I=[$934$]/L

В данном случае некорректно говорить про среднюю мощность, поскольку (как будет показано далее) это экспоненциально убывающая величина. Если говорить о выделяющейся энергии, то очевидно, что это вся энергия магнитного поля, создаваемого возникшим в кольце током Q=LI2/2=[$934$]2/2L
Можно также говорить о мгновенной мощности - в начальный момент времени это P=I2R=[$934$]2R/L2
Можно определить зависимость тока от времени:
I(t)[$183$]R=-LdI(t)/dt
-Rdt/L=dI(t)/I(t)
I(t)=I[$183$]e-Rt/L
P(t)=[$934$]2R/L2[$183$]e-2Rt/L
(нетрудно убедиться, что интеграл этого выражения от 0 до [$8734$] равен [$934$]2/2L)
В отдельных случаях под продолжительностью процесса может пониматься время, за которое в e раз уменьшится ток (t=L/R) или мощность (t=L/2R), в этом случае под средней мощностью может пониматься средняя мощность за данное время (либо вся выделившаяся энергия, делённая на данное время).

Последний вопрос: чему же равна индуктивность кольца? Ответить на этот вопрос не так просто, поскольку магнитное поля внутри витка неоднородно. Можно, конечно, принять, что индукция по всему кольцу такая же, как и в центре и получить
L=[$934$]/I=BS2/I=([$956$]0/2r2)[$183$][$960$]r22=[$956$]0[$960$]r2/2
Но на самом деле индуктивность существенно отличается от этого значения, поскольку при приближении к проводу индукция стремительно возрастает.
Верная формула (см. здесь или здесь), приведённая к обозначениям, используемым в данном решении:
L=[$956$]0[$183$]r2[$183$](ln(8r2/r1)-1.75)

Полагаю, Вам не составит особого труда выбрать те формулы, которые может иметь ввиду Ваш преподаватель, и подставить в них нужные значения величин. В любом случае не могу дать окончательного результата хотя бы потому, что не совсем ясно, что же имелось ввиду под средней мощностью.
С уважением, Роман.
Неизвестный
19.05.2011, 08:49
общий
Адресаты:
Некорректно говорить про среднюю мощность - в этом и загвоздка.
Как Вы считаете, можно ли рассуждать следующим образом:
1. В начальный момент времени мощность P(0)=Φ^2* R/L^2*exp(0)=Φ^2* R/L^2
2. В конечный момент времени P = 0
3. Средняя мощность Psr = P(0)/2 (средняя арифметическая мощность)
давно
Модератор
156417
2175
19.05.2011, 09:08
общий
Возможен и такой вариант. Кстати, это же значение получается, если всю выделившуюся теплоту разделить на t=L/R
давно
Модератор
156417
2175
19.05.2011, 09:31
общий
Мне лично кажется, что единственный действительно корректный ответ - это выражение зависимости мощности от времени. Что же тут можно считать средней мощностью, лучше обсудить с преподавателем.
Форма ответа