The solution at revision #14411 of , by igor. This is not the current version.

Условие

11.5.18∗. Какой минимальной скоростью должен обладать сверхпроводящий тонкий стержень сечения , длины и массы , чтобы влететь в продольное магнитное поле индукции ?

К задаче $11.5.18$
К задаче

Решение

При вхождении в магнитное поле внешней силой по отношению к стержню является сила Лоренца, но ее работа равна нулю (действие этой силы на заряды перпендикулярно скорости зарядов) [1]. Поэтому можно рассматривать стержень как изолированную систему и записать закон сохранения энергии для нее:


где и есть энергии стержня вне поля и в поле.

Полагаем, что энергия магнитного поля в стержне вдали от поля равна нулю. Энергия включает в себя только кинетическую энергию ; а состоит в общем случае из кинетической энергии и энергии мс магнитного поля, созданного индуцированным током в стержне для компенсации магнитного потока внешнего поля через стержень (магнитный поток в стержне сохраняется; см. предыдущие задачи в этом параграфе задачника Савченко).

Учитывая сказанное, записанный закон сохранения перепишется:

мс

Кинетическая энергия, конечно, равна

где есть скорость стержня.

Энергия магнитного поля мс может быть выражена через плотность соответствующей энергии мсмс так [2]:

мсмсмс
где есть объем стержня как цилиндра; мс есть индукция магнитного поля внутри стержня, созданного наведенным током в приповерхностном слое стержня (подобно соленоиду) [3]; есть магнитная постоянная.

По закону сохранения магнитного потока через сверхпроводящий контур также должно быть следующее. Стержень конце процесса вхождения в поле создает внутри себя свое магнитное поле, индукция которого равна индукции внешнего поля: мс.

Теперь формула выглядит так:

Видно, что минимуму скорости отвечает ситуация , так что

Отсюда находим:

Литература

[1] Зайчиков Ю. Сила Лоренца и ее работа. В: Квант 2 (1979).

[2] Черноуцан А. Осторожно: магнитное поле. В: Квант 3 (1999).

[3] Сивухин Д. В. Электричество //Сер." Общий курс физики. – 1983. – Т. 3.

Ответ