background image

 

57

Zadania do rozdziału 8. 

 

Zad.8.1. 

 Elektron 

(o 

masie 

kg

10

1

,

9

m

31

=

 i ładunku elektrycznym 

C

10

6

.

1

e

19

=

) wpada 

z prędkością 

s

/

m

10

7

=

υ

 w obszar jednorodnego pola magnetycznego o indukcji 

T

10

B

2

=

 prostopadle do linii sił tego pola. Znaleźć tor ruchu elektronu w polu 

magnetycznym.  

Rozwiązanie: 

Na elektron poruszający się z prędkością 

υ

G

 w polu 

B

G

 działa siła Lorentza 

L

F

G

( )

B

e

F

F

;

B

x

e

F

L

L

L

υ

=

=

υ

=

G

G

G

G

 

która jest skierowana prostopadle do 

wektorów 

B

G

 i 

υ

G

.  

Siła 

L

F

G

 działa tak, jak siła dośrodkowa 

(

)

υ

G

G

L

F

,  a  więc zakrzywia tor elektronu.  

 

 

Na poruszający się elektron o masie m z prędkością 

υ po torze o krzywiźnie r działa z kolei 

siła odśrodkowa F 

r

m

F

2

υ

=

która działa wzdłuż tej samej prostej co siła F

L

 ale jest przeciwnie do niej skierowana.  

Zatem elektron w polu magnetycznym zadania będzie poruszał się po okręgu o promieniu r w 

płaszczyźnie prostopadłej do  B

G

Promień tego okręgu wyliczymy z warunku: 

F

F

L

=  co 

czyni: 

r

m

B

e

2

υ

=

υ

   

Stąd 

eB

m

r

υ

=

 

background image

 

58

T

10

C

10

6

,

1

s

/

m

10

kg

10

1

,

9

r

2

19

7

31

=

 

Ale 

   

[ ]

[ ]

[

]

2

s

/

m

kg

N

;

s

/

m

C

N

T

=





=

 

Zatem   

 

2

2

3

s

/

m

kg

m

s

/

m

kg

10

7

,

5

N

C

s

/

m

C

s

/

m

kg

7

,

5

r

=

=

 

m

10

7

,

5

r

3

=

 

Zad.8.2. 

 Oblicz 

siły działania jednorodnego pola magnetycznego o indukcji  B

G

 na osadzoną na 

osi 00’ prostokątną ramkę ABCD z drutu o długościach boków a i b. Oś obrotu przechodzi 

przez bok a i jest symetralną ramki. Przez ramkę płynie prąd I.  

Rozwiązanie: 

a)  

Załóżmy, że w pierwszej chwili powierzchnia ramki jest równoległa do linii siły indukcji  B

G

Rys.a. 

 

Korzystamy ze wzoru na siłę 

F

G

 działającą 

na prostoliniowy przewodnik o długości l z 

prądem I w polu magnetycznym  B

G

( )

α

=

=

=

sin

BIl

F

F

;

B

x

l

I

F

G

G

G

G

 

gdzie 

l

G

 to wektor o długości l i zwrocie 

wyznaczonym przez kierunek prądu I, zaś 

α to kąt między wektorami 

B

i

l

G

G

Ponieważ dla boku scharakteryzowanego 

wektorem 

1

a

G

 

α = 0 (sinα = 0), a dla boku 

2

a

G

 

α = π (sinα=0) dlatego na boki te nie 

działają żadne siły. 

 

Na boki 

2

1

b

i

b

G

G

 działają odpowiednio siły 

F

F

F

2

1

=

=

 prostopadłe do płaszczyzny rys. a, 

tworząc parę sił.  

Dla 

1

b

G

2

π

=

α

 (sin

α = 1) i wtedy 

BIb

F

1

=

, zaś  

background image

 

59

dla 

2

b

G

π

=

α

2

3

  (sin

α = -1) i wtedy 

BIb

F

2

=

Ta para sił działa na ramkę momentem obrotowym  M

G

 

2

2

1

1

F

x

2

a

F

x

2

a

M

G

G

G

G

G

+

=

 

β

=

=

sin

F

a

M

M

G

 

gdzie 

β to kąt między 

1

1

F

i

2

a

G

G

. Kąt ten jest również zawarty między 

2

2

F

i

2

a

G

G

 (patrz rys.a). 

Ponieważ w rozważanym przypadku 

2

π

=

β

, dlatego 

BIba

F

a

M

=

=

 

Moment pary sił M obraca ramkę wokół osi obrotu 00’. Podczas obrotu kąt 

β maleje, więc i 

moment M powodujący ruch ramki maleje w myśl wzoru 

β

=

sin

BIba

M

 

Gdy 

β = 0 (wtedy płaszczyzna ramki jest prostopadła do 

B

G

) to 

M = 0 

Zobaczmy jakie siły działają na ramkę w tym położeniu. 

b) Ramka w położeniu prostopadłym do linii sił pola  B

G

.  

 

W tym położeniu na ramkę działają cztery 

siły 

4

3

2

1

F

i

F

,

F

,

F

G

G

G

G

  

BIb

F

F

;

F

F

2

1

2

1

=

=

=

G

G

 

oraz 

BIa

F

F

;

F

F

4

3

3

4

=

=

=

G

G

 

Siły te, jak widzimy na rys.b, dążą do 

rozciągnięcia ramki, lecz nie nadają jej 

ruchu obrotowego bo 

M = 0 

 

 

                                                      Rys.b. 

 

background image

 

60

Zad. 8.3. 

 

W prostoliniowym przewodniku o długości l płynie prąd o natężeniu I. Wyznaczyć 

wartość indukcji magnetycznej 

B

G

 w punkcie A odległym o r

o

 od przewodnika. Punkt A jest 

tak usytuowany w przestrzeni, że z tego punktu końce M i N przewodnika widać odpowiednio 

pod kątami 

2

1

i

ϕ

ϕ

 (patrz rysunek). 

Rozwiązanie: 

 

Indukcję magnetyczną  B

G

 w punkcie A 

obliczamy z prawa B-S-L.  

r

x

l

d

r

I

4

B

3

r

o

l

a

przewodnik

dlugości

calej

po

K

G

G

π

µ

µ

=

 

W naszym konkretnym przypadku B 

możemy przedstawić jako: 

dl

r

I

4

B

2

r

o

l

a

przewodnik

dlugości

calej

po

ϕ

π

µ

µ

=

       (1) 

Ale z trójkąta AEB wynika, że  

ϕ

=

sin

r

r

o

   

   (2) 

 

Z trójkąta DCB otrzymujemy: 

ϕ

=

sin

dl

BC

, gdzie BC możemy obliczyć z definicji kąta łukowego 

ϕ

= d

r

BC

 

Zatem 

ϕ

ϕ

=

sin

rd

dl

 

  (3) 

Podstawiając (2) i (3) do (1) otrzymujemy: 

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

π

ϕ

µ

µ

=

ϕ

ϕ

sin

d

sin

r

sin

I

r

4

sin

B

o

2

o

2

r

o

2

1

 

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

ϕ

ϕ

d

sin

I

r

4

B

o

r

o

2

1

 

background image

 

61

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

ϕ

ϕ

d

sin

r

4

I

B

2

1

o

r

o

 

(

)

(

)

2

1

o

r

o

o

r

o

cos

cos

r

4

I

cos

r

4

I

B

2

1

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

ϕ

π

µ

µ

=

ϕ

ϕ

 

Gdy przewodnik jest nieskończenie długi to 

π

=

ϕ

=

ϕ

2

1

a

0

 

Wtedy 

( )

[

]

1

1

r

4

I

B

o

r

o

π

µ

µ

=

 

o

r

o

r

2

I

B

π

µ

µ

=

 

Zad. 8.4 

Dana jest prostokątna ramka o bokach a i b, w której płynie stały prąd elektryczny o 

natężeniu I. Znaleźć kierunek i wartość wektora indukcji magnetycznej  B

G

 w środku ramki. 

Rozwiązanie: 

 

Z prawa B-S-L wynika, że B

G

 w środku ramki jest wektorową sumą 

4

3

2

1

B

i

B

,

B

,

B

G

G

G

G

 

wektorów indukcji pochodzących od poszczególnych boków ramki. 

Wektory 

4

3

2

1

B

i

B

,

B

,

B

G

G

G

G

 leżą wszystkie na jednej prostej, prostopadłej do płaszczyzny ramki 

i przechodzącej przez jej środek.  

Zwroty tych wektorów są zgodne i są skierowane w stronę czytelnika.  

Zatem  

background image

 

62

4

3

2

1

B

B

B

B

B

+

+

+

=

 

Przyczynki 

4

3

2

1

B

i

B

,

B

,

B

 obliczamy korzystając z wiadomości zdobytych w zad.8.2.  

 

(

)

12

11

o

r

o

1

cos

cos

r

4

I

B

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

 

ale    

;

b

a

a

cos

;

2

b

r

2

2

11

o

+

=

ϕ

=

 

;

b

a

a

cos

2

2

12

+

=

ϕ

 

bo 

(

)

11

12

cos

cos

cos

cos

ϕ

=

ϕ

=

ϕ

π

=

ϕ

 

ponieważ 

11

ϕ

=

ϕ

 

Zatem 

2

2

r

o

2

2

r

o

1

b

a

b

Ia

b

a

a

2

2

/

b

4

I

B

+

π

µ

µ

=

+

π

µ

µ

=

 

 

Analogicznie 

(

)

2

2

r

o

22

21

r

o

2

b

a

a

Ib

cos

cos

2

/

a

4

I

B

+

π

µ

µ

=

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

 

(

)

2

2

r

o

32

31

r

o

3

b

a

b

Ia

cos

cos

2

/

b

4

I

B

+

π

µ

µ

=

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

 

(

)

2

2

r

o

42

41

r

o

4

b

a

a

Ib

cos

cos

2

/

a

4

I

B

+

π

µ

µ

=

ϕ

ϕ

π

µ

µ

=

 

Ostatecznie 



+

+

+

+

+

+

π

µ

µ

=

2

2

2

2

2

2

2

2

r

o

b

a

a

b

b

a

b

a

b

a

a

b

b

a

b

a

I

B

 

(

)

2

2

r

o

2

2

2

2

r

o

b

a

ab

I

2

b

a

ab

b

a

2

I

B

+

π

µ

µ

=

+

+

π

µ

µ

=

 

Zad. 8.5. 

 Wyznaczyć wartość indukcji magnetycznej 

B

G

 w środku obwodu kołowego o 

promieniu r, w którym płynie prąd elektryczny o natężeniu I.  

 

background image

 

63

Rozwiązanie: 

 

Zgodnie z prawem B-S-L wszystkie 

elementy 

l

d

G

 tego obwodu z prądem I 

wywołują w środku okręgu indukcję 

(

)

r

x

l

d

r

I

4

B

d

3

r

o

G

G

G

π

µ

µ

=

 

o jednakowych kierunkach (wzdłuż prostej 

prostopadłej do płaszczyzny obwodu i 

przechodzącej przez środek okręgu) i 

zwrotach (za płaszczyznę rysunku). 

A zatem całkowanie wektorowe sprowadza się do całkowania skalarnego 

dl

I

r

4

dB

B

2

r

o

r

2

0

okręgu

po

π

µ

µ

=

=

π

 

bo kąt 

ϕ między wektorami 

l

d

i

r

G

G

 wynosi 

2

π

, a więc 1

sin

=

ϕ

Stąd 

dl

r

4

I

B

r

2

0

2

r

o

π

µ

µ

=

π

 

[

]

0

r

2

r

4

I

l

r

4

I

B

2

r

o

r

2

0

2

r

o

π

π

µ

µ

=

π

µ

µ

=

π

 

r

2

I

B

r

o

µ

µ

=

 

Zad. 8.6. 

 Obliczyć indukcję magnetyczną 

B

G

 na osi obwodu kołowego w odległości d od środka 

obwodu. Natężenie prądu w obwodzie wynosi I, a promień obwodu R.  

Rozwiązanie: 

Wychodząc z prawa B-S-L 

(

)

r

x

l

d

r

I

4

'

B

d

3

G

G

G

π

µ

=

;   gdzie 

r

o

µ

µ

=

µ

 

Ponieważ wektor  l

d

G

 oraz wektor wodzący 

r

G

 tworzą kąt 

2

π

, więc 

dl

r

I

4

'

dB

2

π

µ

=

 

background image

 

64

 

Wektory indukcji 

2

1

B

d

i

B

d

G

G

od 

symetrycznie położonych elementów 

1

l

d

G

 i 

2

l

d

G

 przewodnika są równe  co do modułu i 

symetrycznie położone względem siebie, 

zatem wartość indukcji wypadkowej od 

oby elementów wynosi: 

2

r

2

dl

sin

I

sin

'

dB

2

dB

π

β

µ

=

β

=

 

Wektor indukcji dB jest prostopadły do 

powierzchni obwodu, i skierowany od 

obwodu.  

Wypadkową indukcję od całego przewodnika otrzymamy całkując powyższe równanie po 

połowie okręgu czyli od 0 do 

πR  

R

r

2

sin

I

dl

r

4

sin

I

B

2

R

0

2

π

π

β

µ

=

π

β

µ

=

π

 

Uwzględniając, że 

r

R

sin

=

β

 i 

2

2

d

R

r

+

=

, otrzymamy  

(

)

2

/

3

2

2

2

d

R

2

IR

B

+

µ

=

 

  (*) 

Zad. 8.7. 

 Wyznaczyć natężenie H pola magnetycznego na osi cewki cylindrycznej (solenoidu) z 

równomiernie i gęsto nawiniętymi zwojami, przez które przepływa prąd o natężeniu I. Cewka 

ma n zwojów, długość l i promień przekroju poprzecznego r. Położenie punktu P, dla którego 

liczymy H, określają odcinki a

1

 i a

2

 mierzone od końca cewki. Przedyskutować otrzymany 

wynik.  

Rozwiązanie: 

Przyjmijmy początek układu współrzędnych w rozpatrywanym punkcie P. Kierunek prądu w 

uzwojeniu niech będzie taki, jak na rysunku. Jeżeli wziąć pod uwagę kołowy element cewki o 

długości dx, to można go traktować jak cienki przewodnik kołowy i wykorzystać wynik z 

zadania 8.6.  

background image

 

65

Na jednostkę długości solenoidu przypada 

( )

l

/

n

I

 amperozwojów czyli prąd dI płynący w 

elemencie dx solenoidu wynosi: 

dx

l

n

I

dI

=

 

 

Podstawiając do wyniku końcowego (*) z 

zadania 8.6 za 

x

d

→ , za 

r

R

→  i za 

dI

I

 solenoidu oraz wiedząc, że między 

wektorami B

i

H

G

G

 zachodzi związek 

H

B

G

G

µ

=

 otrzymujemy: 

 

(

)

(

)

dx

x

r

r

lr

2

n

I

dx

x

r

r

l

2

n

I

dH

2

/

3

2

2

3

2

/

3

2

2

2

+

=

+

=

 

Aby znaleźć H w punkcie P należy powyższe wyrażenie scałkować po dx w granicach od a

1

 

do a

2

. W tym celu zmieniamy zmienną całkowania i przechodzimy do całkowania po kącie 

α 

(patrz rysunek). Z rysunku wynika, że 

α

=

α

=

+

ctg

r

x

oraz

sin

x

r

r

2

2

   

czyli  

α

=

α

2

sin

r

d

dx

 

Stąd 

α

α

=

d

sin

r

dx

2

 

Zatem 

α

α

α

=

d

sin

r

sin

lr

2

n

I

dH

2

3

 

α

α

=

d

sin

ln

2

n

I

dH

 

(

)

α

α

=

α

α

=

=

α

α

α

α

α

α

d

sin

l

2

In

d

sin

l

2

n

I

dH

H

1

2

1

2

1

2

 

background image

 

66

(

)

1

2

cos

cos

l

2

n

I

H

α

α

=

 

Wyrażając kąty za pomocą odcinków określających położenie punktu P otrzymuje się: 

2

2

2

2

2

a

r

a

cos

+

=

α

 

(

)

2

1

2

1

1

1

a

r

a

cos

cos

+

=

α

π

=

α

 

Wtedy: 





+

+

+

=

=

2

2

2

2

2

1

2

1

a

r

a

a

r

a

l

2

In

H

 

Jeżeli solenoid jest długi (l>>r), to można przyjąć, że: 

r

a

i

r

a

2

1

>>

>>

 

to wówczas natężenie pola H jest w całym solenoidzie takie samo i wynosi: 

(

)

l

In

1

1

l

2

In

H

=

+

=

,   

l

In

H

=

 

Widzimy więc,  że  natężenie pola magnetycznego H wewnątrz solenoidu jest wprost 

proporcjonalne do ilości zwojów n solenoidu, a odwrotnie proporcjonalne do jego długości l. 

Zad. 8.8. 

 Wyprowadź z prawa Faradaya wzór na siłę elektromotoryczną 

ε

 indukowaną w pręcie 

o długości l, obracającym się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 

B

G

 ze stałą 

prędkością kątową 

ω wokół osi przechodzącej przez jeden z końców pręta i prostopadłej do 

niego. Płaszczyzna obrotu jest prostopadła do 

B

G

Rozwiązanie: 

 

Wychodzimy ze znanego wzoru: 

ε

dt

d

B

Φ

=

 

Elementarny strumień 

B

d

Φ  przecinany 

przez wirujący pręt w ciągu czasu dt 

wynosi: 

s

d

B

d

B

G

G

=

Φ

 

background image

 

67

gdzie  s

d

G

 jest to wektor powierzchni , którego moduł równa się wielkości powierzchni ds 

(zakreślonej przez pręt o długości l) i jest prostopadły do powierzchni ds.  

Ponieważ 

s

d

||

B

G

G

 (czyli kąt 

α jaki tworzą te dwa wektory wynosi 0 i jest wtedy cosα = 1) 

możemy zapisać: 

ds

B

cos

ds

B

s

d

B

d

B

=

α

=

=

Φ

G

G

 

Przybliżając pole ds. zakreślone przez pręt w czasie dt polem trójkąta OAB mamy: 

l

AB

2

1

ds

=

 

Odcinek AB trójkąta wyznaczamy z definicji miary łukowej kąta. 

α

= d

l

AB

 

gdzie droga kątowa    

dt

d

ω

=

α

 

Zatem 

dt

l

AB

ω

=

 

 

   

dt

l

2

1

ds

2

ω

=

      

i wtedy  

 

 

dt

Bl

2

1

d

2

B

ω

=

Φ

 

Ostateczny wzór na 

ε zaindukowaną w pręcie ma postać: 

ε

ω

=

2

Bl

2

1