Магнитное поле вблизи двух параллельных

Актуальность:

Для более полного понимания темы электромагнетизм, необходимо детальнее рассмотреть раздел взаимодействия двух параллельных проводников с током. В данной работе рассматриваются особенности взаимодействия двух параллельных проводников с током. Объясняется их взаимное притягивание и отталкивание. Рассчитывается количественная составляющая сил ампера, для проведенного в ходе работы эксперимента. Описывается действие друг на друга магнитных полей существующих вокруг проводников с током, и наличие электрической составляющей взаимодействия, существованием которой часто пренебрегают.

Цель:

    Опытным путем рассмотреть существование сил которые участвуют во взаимодействии двух проводников с током и дать им количественную характеристику.

 

Задачи:

- Рассмотреть на опыте наличие сил ампера в проводниках, по которым проходит электрический ток.

- Описать взаимодействие магнитных полей вокруг проводников с током.

- Дать объяснение происходящим явлениям притяжения и отталкивания проводников.

- Сделать количественный расчет сил взаимодействия двух проводников.

- Теоретически рассмотреть наличие электрической составляющей взаимодействия двух проводников с током.

 

Предмет исследования:

Электромагнитные явления в проводниках.

 

Объект исследования:

Сила взаимодействия параллельных проводников с током.

 

Методы исследования:

Анализ литературы,наблюдение и экспериментальное исследование.

   

I. Знакомство с явлением

Знакомство с явлением

Для нашей демонстрации нам необходимо взять две очень тонкие полоски алюминевой фольги длиной около 40 см. Укрепив их в картонной коробке, как показано на рисунке 1. Полоски должны быть гибкими, ненатянутыми, должны находиться рядом, но не соприкасаться. Расстояние между ними должно быть всего 2 или 3 мм. Соеденив полоски с помощью тонких проводов, подсоеденим к ним батарейки, так чтобы в обеих полосках ток шел в противоположных направлениях. Такое соединение будет закорачивать батарейку и вызовет кратковременный ток » 5А[1].   

    Чтобы батарейки не вышли из строя их нужно подключать на несколько секунд каждый раз.

    Подсоеденим теперь одну из батарей противоположными знаками и пропустим ток в одном направлении.

    При удачном подключении видимый эффект мал, но зато легко наблюдаем.

    Обратим внимание на то, что этот эффект никак не связан с сообщениям заряда полоскам. Электростатически они остаются нейтральными.[2] Чтобы в этом убедиться, что с полосками ничего не происходит когда они действительно заряжаются до этого низкого напряжения, подсоеденим обе полоски к одному полюсу батарейки, или одну из них к одному полюсу, а другую ко второму. (Но не будем замыкать цепь во избежании появления токов в полосках.)

			Рисунок 1

 

 

1.2 Сила взаимодействия параллельных токов

        

   В ходе эксперимента мы наблюдали силу, которую нельзя обЪяснить в рамках электростатики. Когда в двух параллельных проводниках ток идет только в одном направлении, между ними существует сила притяжения. Когда токи идут в противоположных направлениях, провода отталкиваются друг от друга.

    Фактическое значение этой силы действующей между параллельными токами, и ее зависимость от расстояния между проводами могут быть измерены с помощью простого устройства в виде весов.[3] В виду отсутствия таковых, примим на веру, результаты опытов которые показывают, что эта сила обратно пропорциональна расстоянию между осями проводов: F ~ 1/r.

Поскольку эта сила должна быть обусловлена каким – то влиянием, распространяющимся от одного провода к другому, то такая цилиндрическая геометрия создаст силу, зависящую обратно пропорционально первой степени расстояния. Вспомним, что электростатическое поле распространяется от заряженного провода тоже с зависимостью от расстояния вида 1/r.

Исходя из опытов видно также что сила взаимодействия между проводами зависит от произведения протекающих по ним токов. Из симметрии можно сделать вывод что если эта сила пропорциональна I₁ , она должна быть пропорциональна и I_2. То, что эта сила прямо пропорциональна каждому из токов, представляет собой просто экспериментальный факт[4] .

        Добавляя коэффициент пропорциональности, можем теперь записать формулу для силы взаимодействия двух параллельных проводов: F ~ l/r, F ~ I₁ I₂; следовательно,

    Коэффициент пропорциональности будет содержать связанный с ним множетель 2 p, не в саму константу.[5]

    Взаимодействие между двумя парралельными проводами выражается в виде силы на еденицу длины. Чем длиннее провода тем больше сила:

    Расстояние r между осями проводов F / l измеряется в метрах. Сила на 1 метр длины измеряется в ньютонах на метр, и токи I₁ I₂ – в амперах. В этом случае значение m ₀ в точности равно 4 p *10^-7 .

    В школьном курсе физики первым дается определение кулону через ампер, не давая при этом определения амперу, и затем принимается на веру значение константы k , появляющейся в законе Кулона.

    Только теперь возможно перейти ктому, чтобы рассмотреть определение ампера.

    Когда полагается что m ₀ =4 p *10^-7 , уравнение для F / l определяет ампер. Константа m ₀ называется магнитной постоянной. Она аналогична константе e ₀  - электрической постоянной. Однако в присвоении значений этим двум константам имеется операционное различие. Мы можем выбирать для какой-нибудь одной из них любое произвольное значение. Но затем вторая константа должна определяться на опыте, поскольку кулон и ампер связаны между собой. В (СИ) выбирается m ₀ и затем измеряется e ₀ .

    Исходя теперь из выше описанной формулы значение ампера можно выразить словами: если взаимодействие на 1м длины двух длинных параллельных проводов, находящихся на расстоянии 1м друг от друга, равна 2*10^-7 Н, то ток в каждом проводе равен 1А.

        

В случае, когда взаимодействующие провода находятся перпендикулярно друг к другу, имеется лиш очень небольшая область влияния, где провода проходят близко друг к другу, и поэтому можно ожидать, что будет мала и сила взаимодействия между проводами. На самом деле эта сила равна нулю. Поскольку силу можно считать положительной, когда токи параллельны, и отрицательной, когда токи антипараллельны, вполне правдоподобно, что эта сила должна быть равна нулю, когда провода перпендикулярны, ибо это нулевое значение лежит посередине между положительными и отрицательными значениями.

 

 

Магнитное поле вблизи двух параллельных

Проводников

    Как уже было рассмотрено выше, между параллельными токами действует сила притяжения. Картина линий поля показана на рисунке 3 показывает, что вокруг двух параллельных токов поле усиливается, в то время как между проводами ослабляется. Если воспользоваться предложенной Фарадеем моделью, в которой линии поля рассматриваются как упругие нити, стремящиеся сократиться и в то же время отталкивающие друг друга, то мы придем к заключению, что линии магнитного поля пытаются стянуть два провода вместе в центральную область, где их поля взаимно уничтожаются.

На рисунке 4 видим противоположную ситуацию. Провода и здесь параллельны, но токи в них антипараллельны. Теперь поля между проводами складываются конструктивно, в то время как во внешних областях происходит частичная компенсация полей. Линии поля отталкивают друг друга и поэтому пытаются раздвинуть провода.