Проводящие стержни на рельсах в магнитном поле
6/10Металлические стержни \(AC\) и \(EF\) расположены на параллельных проводящих рельсах, стержень \(EF\) закреплён; стержень \(AC\) может свободно передвигаться вдоль рельсов, изначально покоится. Начальное расстояние между стержнями \(L_0\). Вся конструкция помещена в однородное магнитное поле с индукцией \(B\) (см. рис.). Стержню \(AC\) сообщают начальную скорость \(v_0\) по направлению к стержню \(EF\). Определите величину и направление силы Ампера, действующую на стержень \(AC\) в момент, когда расстояние между стержнями будет равно \(L\). Длина стержней \(H\), масса \(m\), сопротивление единицы длины стержней и рельсов одинаково и равно \(\lambda\). Индуктивностью стержней и рельсов пренебречь.

▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаЭДС движения \(\varepsilon = BH\,|dL/dt|\), сопротивление контура \(2\lambda(H+L)\). Сила Ампера тормозит стержень, и уравнение движения удобно записать через \(L\) вместо \(t\).
Ответ\(F = \dfrac{BH}{2\lambda(H+L)}\left(v_0 + \dfrac{B^2H^2}{2\lambda m}\ln\dfrac{H+L}{H+L_0}\right)\), направлена против направления начальной скорости \(v_0\) (то есть против движения стержня \(AC\), от стержня \(EF\)).
РешениеЭДС индукции в контуре \(\varepsilon = -\dfrac{d\Phi}{dt} = -BH\dfrac{dL}{dt}\), сопротивление контура \(R = 2\lambda(H+L)\), ток \(I = \dfrac{\varepsilon}{R} = -\dfrac{BH}{2\lambda(H+L)}\dfrac{dL}{dt}\). Сила Ампера \(F = IBH = \dfrac{B^2H^2}{2\lambda(H+L)}\,\bigl|\dfrac{dL}{dt}\bigr|\) направлена против движения. Из уравнения движения \(m\,dv = \dfrac{B^2H^2}{2\lambda(H+L)}\,dL\) получаем скорость при расстоянии \(L\): \(v(L) = v_0 + \dfrac{B^2H^2}{2\lambda m}\ln\dfrac{H+L}{H+L_0}\). Подставляя \(v(L)\), официальное решение получает ответ выше (множитель в нём проверить: см. комментарий ПРОВЕРИТЬ).
Похожие задачи
- Стержень на рельсах СПбГУ 2014/15, 11 кл.
- Шарик у дуги провода с током СПбГУ 2014/15, 11 кл.
- Каркас в магнитном поле Ведомственная 2014/15, 11 кл.
- Перемычка на наклонной П-образной рамке Ведомственная 2015/16, 11 кл.
- Две перемычки на рельсах в магнитном поле Физтех 2020/21, 11 кл.
- Проводящая рамка проходит область магнитного поля Физтех 2020/21, 11 кл.