Тема электромагнитной индукции на олимпиаде по физике

Современные всероссийские дистанционные олимпиады по физике включают в себя вопросы из всех возможных тем школьного курса. Но наиболее сложными темами для ребят любого уровня подготовки являются базовые темы, лежащие в основе всего процесса понимания предмета. Одним из таких интересных и ключевых моментов является электромагнитная индукция - безумно сложная и очень интересная вещь.

Какие базовые знания нужны школьникам для изучения этой темы?

Базовым знанием является следующее. Электрическое поле действует на неподвижные заряды в пространстве и может сдвинуть их с места. Магнитное поле действует на движущиеся заряды, то есть не действует на неподвижные заряды и не может сдвинуть их с места. Давайте посмотрим, как эти базовые знания позволят нам объяснить физический принцип электромагнитной индукции и принцип работы трансформатора. Известно, что трансформатор преобразует или трансформирует только переменный. Но почему это невозможно для постоянного тока? Представьте себе, что в первичной обмотке трансформатора течёт постоянный ток. Постоянный ток вызывает постоянное магнитное поле и всё. Значит вокруг проводника с током есть постоянное магнитное поле. Это постоянное магнитное проникает во вторичную обмотку трансформатора, но, как мы только что сказали, магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Но ведь у нас во вторичной обмотке металл. А свободные электроны магнитное поле не может сдвинуть. Поэтому электрический ток не возникает.

А теперь давайте посмотрим, что происходит, если в первичной обмотке трансформатора течет переменный ток. Переменный ток приводит к появлению переменного магнитного поля. И здесь уже все происходит по-другому. Переменное магнитное проникает во вторичную обмотку, но само по себе оно все еще не может сдвинуть с места неподвижные электроны. Должно обязательно возникнуть электрическое поле. Что и происходит. Но такое новое электрическое поле, по сравнению со статическим начальным электрическим полем, будет называться «вихревым полем». Именно это вихревое электрическое поле и сдвигает электроны, что приводит к возникновению переменного тока. Вот такая есть идея, которая объясняет физический принцип работы трансформатора.

Олимпиада по физике, как правило, включается в себя задания разного типа и сложности.  Простые задания относятся к тематике популярной физики и электродинамики. Среди таких простых заданий мало вариантов просто на механику. А вот на тему электромагнетизма задач огромное количество.

Пример олимпиадной задачи по физике

Давайте рассмотрим пример такой качественной олимпиадной задачи. Дана электрическая цепь. Она состоит из гальванического элемента, реостата переменного сопротивления, трансформатора и измерительных приборов - амперметра и вольтметра. В начальный момент времени ползунок реостата установлен посередине и неподвижен. Прежде чем, приступить к пояснению варианта решения задачи такого типа, следует обратить внимание на то, что ученики, беря в руки задания олимпиады по физике, начинают читать условие. У них не должно возникать желания сразу отвечать на вопрос. Первое, что нужно сделать - это очень внимательно и правильно прочитать вопрос. Некоторые задания содержат так называемые «подсказки». В данной задаче может быть подсказка в виде фразы «опираясь на законы электродинамики». Если вы просто объясните, как будут меняться показания приборов в процессе перемещения ползунка реостата влево и вправо, то вы не получите максимальное количество баллов за задание.

Давайте проведем физический анализ схемы.  Мы видим, что у нас имеется так называемая замкнутая цепь, которая содержит источник тока и внешний участок цепи. Цепь замкнута, в ней будет течь постоянный ток и, соответственно амперметр нам покажет постоянное значение силы тока. Через трансформатор и первичную обмотку течет постоянный ток. Мы только что сказали, что постоянный ток не трансформируется. Во вторичной обмотке тока не возникает, и вольтметр нам покажет ноль.

Олимпиада по физике Отличник и правила всероссийских конкурсов гласят, что в решении задачи должен быть в явном виде представлен ответ на вопрос: «Как будут изменяться показания проборов?». Соответственно правильным ответом в данном случае будет считаться следующая физическая формулировка: «Во время перемещения движка реостата показания амперметра будут увеличиваться, а вольтметр будет регистрировать напряжение на концах вторичной обмотки». Но помимо такой формулировки еще должно быть дано объяснение. Оно включает следующие шаги. Происходит изменение сопротивления реостата. К чему это приводит? Это приводит к изменению силы тока в цепи. К чему приводит изменение магнитного потока по какому-то закону? Это приводит к возникновению ЭДС. Какой закон описывает первый шаг? Это закон Ома для полной цепи. Второй шаг описывается законов Фарадея. В данном случае удобнее писать законы физике именно в виде формулы. Если мы перемещаем движок реостата влево, сопротивление будет уменьшаться, потому что увеличивается знаменатель формулы закона Ома. Также мы не учитываем в этой олимпиадной задаче явление самоиндукции.

Напомним, что в первичной обмотке есть переменный ток, во вторичной обмотке возникает переменный магнитный поток в соответствии с законом Фарадея, что создаёт ЭДС индукции, и вольтметр показывает напряжение на концах вторичной обмотки. Это основные данные, но есть некоторые замечания. Они не следуют из условия, но лучшим вариантов для участника олимпиады по физике будет проанализировать показания вольтметра. Следует выяснить, будут ли эти показания постоянными при движении движка реостата или нет? Это очень интересный вопрос.

Если скорость изменения магнитного потока постоянна, то показания вольтметра будут также изменяться равномерно. Но если вы будете увеличивать скорость движения ползунка, тогда у вас будут постоянно возрастать показания вольтметра. Эта тонкость никак не участвует в вопросе, то может добавить к результату участника олимпиады несколько полезных баллов.

Как вы видите, олимпиада по физике – это не просто тест. Олимпиада – это конкурс, требующих глубокого понимания сути физических величин и принципов из работы.