По теме: Закон Фарадея в кольце
Ring Launcher — это стандартная вводная демонстрация физики, которую, я полагаю, видели почти все (если нет, то посмотрите ее на YouTube). Объяснение того, почему запускается кольцо, объясняется на многих веб-сайтах. Например, вот объяснение с веб-сайта Паско , точно такое же объяснение, которое использовали несколько моих профессоров:
Изменяющееся магнитное поле от катушки с питанием от переменного тока вызывает изменение магнитного потока через алюминиевое кольцо. Индуцированная ЭДС в кольце создает ток, который создает магнитное поле. Наведенное магнитное поле противодействует полю катушки, толкая кольцо вверх.
Вот в чем заключается моя проблема — я чувствую, что это неполное объяснение и имеет серьезный недостаток. Поскольку это питается переменным током, я представляю, что в течение одного момента времени ток через соленоид, который создает этот изменяющийся магнитный поток, индуцирует ток в кольце, скажем, в направлении против часовой стрелки, и это приводит к тому, что кольцо выталкивается вверх. Однако через долю секунды ток через соленоид изменяется в противоположном направлении и индуцирует ток в противоположном направлении (CW) в кольце. Не означает ли это, что кольцо теперь будет притягиваться к соленоиду, а не выталкиваться вверх? Однако этого не происходит, так почему кольцо запускается от соленоида?
Ключ ко мне пришел после анализа схемы и изучения того, как напряжение опережает ток в цепи переменного тока RL (которой является кольцевая пусковая установка). Если индуцированное напряжение на кольце возникает до того, как появится «второй индуцированный ток» (это будет непрерывный ток выше), то у кольца будет достаточно времени, чтобы подняться до того, как возникнет притяжение от второго индуцированного тока.
Я никогда не видел этого объяснения раньше, поэтому я предполагаю, что я не прав. Пожалуйста, поправьте меня! На мой взгляд, невозможно было упустить такое фундаментальное понятие.
Заранее благодарю за любую помощь в этом вопросе
Поскольку это питается переменным током, я представляю, что в течение одного момента времени ток через соленоид, который создает этот изменяющийся магнитный поток, индуцирует ток в кольце, скажем, в направлении против часовой стрелки, и это приводит к тому, что кольцо выталкивается вверх. Однако через долю секунды ток через соленоид изменяется в противоположном направлении и индуцирует ток в противоположном направлении (CW) в кольце. Не означает ли это, что кольцо теперь будет притягиваться к соленоиду, а не выталкиваться вверх?
Нет. Когда ток в соленоиде меняет направление, то же самое происходит и с током в кольце. Пока токи не движутся в том же направлении, сила будет отталкивающей. Это аналогично двум магнитам, которые всегда направлены либо с севера на север, либо с юга на юг. В любом случае сила отталкивающая, а не притягивающая. Северный и южный полюса в аналогии представляют собой магнитные моменты двух контуров, и пока закон индукции таков, что индуцированные токи противодействуют изменению потока, эти моменты противодействуют друг другу, и сила отталкивает.
Разница фаз между входным током и наведенным напряжением в кольце составляет 90 градусов из-за закона Ленца. Затем возникает разность фаз между этим наведенным напряжением и наведенным током, составляющая 90 градусов, из-за самоиндукции кольца. Это составляет 180-градусную разность фаз между входным током и индуцированным током, что гарантирует, что магнитные поля всегда будут отталкивающими. Если учесть сопротивление, разность фаз составит не совсем 180 градусов, но достаточно, чтобы силы отталкивания в среднем были больше.
Доктор Левин объясняет это ближе к концу лекции № 20 MIT 8.02 примерно через 40 минут (демонстрация «левитирующей женщины» находится в лекции 19):
Примечание. Он левитирует проводящее кольцо над соленоидом в лекции 20, но физика такая же, как в лекции 19, где он левитирует соленоид над проводником.
Бибопбутнестади