реферат Взаимодействие параллельных проводников с током
Содержание
Введение……………………………………………………………………….3
I. Знакомство с явлением………………………………………………..5
1. Экспериментальная установка……………………………..5
2. Сила взаимодействия параллельных токов………………6
1.3.Магнитное поле вблизи двух параллельных
проводников……………………………………………….…………….9
II. Количественная величина сил……………………………………10
2.1 Количественный расчет силы, действующей на
ток в магнитном поле…………………………………………..10
III. Электрическое взаимодействие…………………………………13
3.1 Взаимодействие параллельных проводников……………13
Заключение…………………………………………………………………..15
Список использованой литературы…………………………………16
Введение
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
1.1 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.)
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 I2. 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(, 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 (0 в точности равно 4(*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 ( , появляющейся в законе Кулона.
Только теперь возможно перейти ктому, чтобы рассмотреть определение
ампера.
Когда полагается что (0 =4(*10-7 , уравнение для F/l определяет
ампер. Константа (0 называется магнитной постоянной. Она аналогична
константе (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 (0 и затем измеряется (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.
1.3 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.
II. Количественная величина сил
2.1 Количественный расчет силы, действующей на ток в магнитном поле.
В 1.3 было показано, как выглядит картина линий поля, когда провод с
током находится во внешнем магнитном поле. Круговые линии создаваемого
током магнитного поля усиливают линии внешнего поля по одну сторону тока и
ослабляют по другую. В соответствии с нашей моделью, приписывающей линиям
поля упругие свойства, провод будет выталкиваться в область более слабого
поля. В случае показанных на рисунке 5 направлений напряженности магнитного
поля и электрического тока провод будет выталкиваться с силой F влево.
Когда в 1.2 рассматривалась сила магнитного взаимодействия двух
параллельных токов, было высказано утверждение, что выводимое из
эксперимента уравнение имеет вид
В этом пункте будет рассмотрена модель магнитного поля, создаваемого
одним из токов, с которым другой ток мог бы взаимодействовать. Теперь по
формуле для напряженности В магнитного поля, создаваемого длинным
прямолинейным проводом, по которому идет ток I1
Эта формула представляет собой часть формулы для силы взаимодействия
двух проводов. Теперь ее можно записать в
следующем виде:
Сила, действующая на направленный перпендикулярно к напряженности
магнитного поля ток, равна
Если ток не перпендикулярен к линиям магнитного поля, эта сила становится
меньше. В самом деле, сила обращается в нуль, когда ток параллелен полю.
Качественно к этому заключению можно прийти с помощью правила правой руки и
нашей модели взаимодействующих полей.
На рисунке 6 показаны линии поля, создаваемого током, который направлен
параллельно внешнему полю.
[pic]
Результирующее поле по какую-нибудь одну сторону от провода не сильнее,
чем по другую, и поэтому мы не можем ожидать, что к проводу будет приложена
какая-то сила.
Количественный способ описания такой геометрической зависимости состоит
использовании векторного произведения. Действующая на ток сила представляет
собой вектор, и он пропорционален произведению двух других векторов, I и В.
Окончательная формула для силы, действующей на ток в магнитном поле, имеет
вид:
Взаимное расположение этих векторов показано на рисунке 7. Сила F должна
[pic]
быть перпендикулярна как напряженности магнитного поля В, так и проводу I.
Направление силы может быть найдено или с помощью правила правого винта для
векторного произведения, или обращением к модели линий магнитного поля.
Модуль силы равен F=ILBsin( где ( — угол между линиями поля и проводом.
Когда угол ( = 90°, сила максимальна и имеет направление, которое считается
положительным в соответствии с правилом правой руки. Когда (=0, действующая
на провод сила равна нулю. Когда ( =270°, ток в проводе имеет
противоположное по сравнению с первым случаем направление; сила
максимальна, но теперь имеет направление, принимаемое за отрицательное.
Рассчитаем теперь, какие значения полей и сил создавались в опыте с