Как решить следующую задачу по физике:
Кольцо площадью 10 см^2 из тонкой проволоки с сопротивлением 1 мОм находится в однородном магнитном поле, линии индукции которого составляют угол 30 градусов с плоскостью кольца. За какое время в кольце выделится количество теплоты 32 мкДж, если магнитная индукция возрастает со скоростью 0,08 Тл/с? Объясните, как решать, пожалуйста, подробней.
Физика11 классЭлектромагнитная индукцияфизика 11 классзадача по физикекольцо из проволокисопротивление 1 мОммагнитное полеугол 30 градусовколичество теплоты 32 мкДжмагнитная индукцияскорость изменения индукции 0,08 Тл/сзакон Фарадеязакон Джоуля-Ленцаэлектромагнитная индукциярасчет времениподробное объяснение решения задачи
Для решения данной задачи нам нужно использовать несколько физических законов, связанных с электромагнетизмом и теплотой, выделяющейся в проводнике. Давайте разберем шаги более подробно.
Шаг 1: Определение изменений магнитной индукцииСначала мы знаем, что магнитная индукция B возрастает со скоростью dB/dt = 0,08 Тл/с. Это значит, что в течение времени t магнитная индукция будет увеличиваться на эту величину.
Шаг 2: Определение площади кольцаПлощадь кольца (S) равна 10 см², что в квадратных метрах будет 10 * 10^-4 м² = 0,001 м².
Шаг 3: Определение угла между индукцией и плоскостью кольцаУгол между линиями индукции и плоскостью кольца составляет 30 градусов. Для дальнейших расчетов нам понадобится косинус этого угла:
Электродвижущая сила (E) в проводнике может быть определена по формуле:
E = dB/dt * S * cos(θ),
где θ – угол между магнитным полем и нормалью к площади.
Подставляя известные значения:
E = 0,08 Тл/с * 0,001 м² * 0,87 ≈ 0,0000696 В (или 69,6 мкВ).
Шаг 5: Расчет тока в кольцеТеперь мы можем найти ток (I) в кольце, используя закон Ома:
I = E / R,
где R – сопротивление кольца, равное 1 мОм (или 0,001 Ом).
Подставляем значения:
I = 0,0000696 В / 0,001 Ом = 0,0696 А (или 69,6 мА).
Шаг 6: Определение выделяющейся теплотыПо закону Джоуля-Ленца, количество теплоты (Q),выделяющееся в проводнике, можно вычислить по формуле:
Q = I² * R * t.
Мы знаем, что Q = 32 мкДж = 32 * 10^-6 Дж. Теперь мы можем выразить время (t):
t = Q / (I² * R).
Шаг 7: Подставляем значения и рассчитываем времяСначала найдем I² * R:
Теперь подставим в формулу:
t = 32 * 10^-6 Дж / (0,00486 А² * 0,001 Ом) ≈ 6,4 секунды.
Итак, ответ на задачу: В кольце выделится количество теплоты 32 мкДж за время примерно 6,4 секунды.