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