Взаимодействие параллельных проводников с током
Другие рефераты
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 двум
| |  скачать работу |
Другие рефераты
|
