Как взаимодействуют параллельные проводники с токами

Как взаимодействуют параллельные проводники с током?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Сила Ампера. Взаимодействие параллельных проводников с током. Работа сил магнитного поля по перемещению витка с током.

Закон Кулона:

Сила Лоренца: СИЛА ЛОРЕНЦА — сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в электромагнитном поле. Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

Уравнения Максвелла: — это система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

Электромагнитное поле: — это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представляющее собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

Стационарное магнитное поле. Индукция магнитного поля, принцип суперпозиции. Закон Био-Савара.

Постоянное (или стационарное) магнитное поле: — это магнитное поле, неизменяющееся во времени. М\Г — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитная индукция : — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .

Принцип суперпозиции: —В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит:

результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть векторная сумма воздействия этих сил.
Закон Био-Савара:— это закон, определяющий напряженность магнитного поля, создаваемого электрическим током, в произвольной точке пространства вокруг проводника с током.

Сила Ампера. Взаимодействие параллельных проводников с током. Работа сил магнитного поля по перемещению витка с током.

Закон Ампера: — это сила, действующая на проводник с током в магнитном поле.

Взаимодействие параллельных проводников с током:Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться.

Взаимодействие параллельных проводников с током (параллельных токов)

Определить в некоторой точке пространства вектор индукции магнитного поля B, порождаемого постоянным электрическим током I, можно с помощью Закона Био-Савара. Это делается путем суммирования всех вкладов в магнитное поле от отдельных элементов тока.

Магнитное поле элемента тока dI, в точке, заданной вектором r, по Закону Био-Савара находится так (в системе СИ):

Одна из типичных задач состоит в том, чтобы далее определить силу взаимодействия двух параллельных токов. Ведь токи, как известно, порождают собственные магнитные поля, а ток, находящийся в магнитном поле (другого тока) испытывает на себе действие силы Ампера.

Под действием силы Ампера, противоположно направленные токи взаимно отталкиваются, а токи направленные в одну сторону — взаимно притягиваются.

Прежде всего для прямого тока I нам необходимо найти магнитное поле B на некотором расстоянии R от него.

Для этого вводится элемент длины тока dl (по направлению тока), и рассматривается вклад от тока в месте расположения данного элемента длины — в общую индукцию магнитного поля применительно к выбранной точке пространства.

Сначала будем записывать выражения в системе СГС, то есть появится коэффициент 1/с, а в конце приведем запись в системе СИ, где появится магнитная постоянная.

По правилу нахождения векторного произведения, вектор dB — результат векторного произведения dl на r для любого элемента dl, в каком бы месте рассматриваемого проводника он не находился, всегда будет направлен за плоскость рисунка. Результат будет равен:

Произведение косинуса на dl можно выразить через r и угол:

Значит выражение для dB примет вид:

Далее выразим r через R и косинус угла:

И выражение для dB примет вид:

Далее необходимо это выражение проинтегрировать в пределах от -пи/2 до +пи/2, и в результате получим для B в точке на расстоянии R от тока следующее выражение:

Можно сказать, что вектор B найденной величины, для выбранной окружности радиуса R, через центр которой перпендикулярно проходит данный ток I, всегда будет направлен по касательной к данной окружности, какую бы точку окружности мы ни выбрали. Здесь присутствует осевая симметрия, так что вектор B в любой точке окружности получается одной и той же длины.

Теперь рассмотрим параллельные постоянные токи и решим задачу нахождения сил их взаимодействия. Допустим, что параллельные токи направлены в одну и ту же сторону.

Изобразим магнитную силовую линию в форме окружности радиуса R (о которой речь шла выше). И пусть второй проводник расположен параллельно первому в какой-то точке данной силовой линии, то есть в месте с индукцией, значение которой (в зависимости от R) мы только что научились находить.

Магнитное поле в этом месте направлено за плоскость рисунка, и оно действует на ток I2. Выделим элемент длины тока l2, равный одному сантиметру (единица длины в системе СГС). Далее рассмотрим силы, действующие на него. Будем использовать Закон Ампера. Индукцию в месте расположения элемента длины dl2 тока I2 мы нашли выше, она равна:

Следовательно сила, действующая со стороны всего тока I1 на единицу длины тока I2 будет равна:

Это и есть сила взаимодействия двух параллельных токов. Поскольку токи однонаправленные и они притягиваются, то сила F12 со стороны тока I1 направлена так, что она тянет ток I2 в сторону тока I1. Со стороны же тока I2 на единицу длины тока I1 действует сила F21 равной величины, но направленная в сторону противоположную силе F12, в соответствии с третьим законом Ньютона.

В системе СИ, сила взаимодействия двух постоянных параллельных токов находится по следующей формуле, где коэффициент пропорциональности включает в себя магнитную постоянную:

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Как взаимодействуют параллельные проводники с токами

Оборудование для демонстрационного эксперимента: ленты из фольги, штатив, ключ, цветные соединительные провода, источник постоянного тока на 12 В.

Оборудование для фронтального эксперимента: проволочные мотки, штатив, цветные соединительные провода и источник постоянного тока на 4 В.

Безусловно, компьютерные лабораторные работы рекомендуется проводить только после реальных физических экспериментов.

I. Проведение демонстрационного эксперимента и проведение фронтального эксперимента.

Подготовить и провести демонстрационный эксперимент «Взаимодействие двух параллельных токов» с лентами из фольги, подробно разобранный в книге «Демонстрационный эксперимент по физике. Том 2» 1 [1, С.76-78]. При этом целесообразно показать взаимодействие токов на двух опытах, вначале на двух параллельных проводниках с током одинакового и противоположного направлений. Вокруг каждого проводника с током обнаруживается магнитное поле (рис. 1). Акцентировать внимание учащихся на то, что силовые линии магнитного поля вокруг проводника с током являются концентрическими окружностями и лежат в плоскости, перпендикулярной этому проводнику.

Затем перейти к фронтальному эксперименту взаимодействия катушек с током, который будут проводить сами учащиеся.

Объяснить учащимся, что первый эксперимент достаточно труден в исполнении и требует тщательной подготовки. Именно поэтому фронтально учащимся предлагается провести эксперимент по взаимодействию двух круговых токов, используя проволочные мотки, ключ, штатив, цветные соединительные провода и источник постоянного тока на 4 В.

Проведение фронтального эксперимента.

Отметить направление тока в каждом витке, используя цветные провода. Включив на непродолжительное время ток, пронаблюдать взаимодействие двух катушек с током.

Учащиеся должны зафиксировать притяжение и отталкивание двух катушек с током в зависимости от направления тока. Витки с током одинакового направления притягиваются, а противоположного – отталкиваются.

После первичного формирования представлений о взаимодействии двух проводников с токов, акцентируем внимание учащихся на вопросы:
1) Магнитное поле создается электрическим током каждого проводника. Силовые линии магнитного поля обозначены на рис. 2. красным цветом.
2) Магнитное поле обнаруживается по его действию на электрический ток. Соответствующие силы обозначены как ₁ и ₂ синим цветом.

Затем рекомендуется вначале ознакомиться с соответствующей интерактивной моделью (рис. 3).

Затем ответить на контрольные вопросы к лабораторной работе «Взаимодействие параллельных токов»:

1. Каковы направления тока в проводах и индукции магнитного поля от проводов, если параллельные провода притягиваются?
А) Токи протекают в одном направлении, индукция магнитного поля от проводов направлена в разные стороны.
Б) Токи протекают в разных направлениях, индукция магнитного поля от проводов направлена в одну сторону.
В) Токи протекают в одном направлении, индукция магнитного поля от проводов направлена в одну сторону.
Г) Токи протекают в разных направлениях, индукция магнитного поля от проводов направлена в разные стороны.
Д) Токи протекают в одном направлении, индукция магнитного поля от проводов направлена в ту же сторону.

2. Как взаимодействуют параллельные проводники с током, если токи протекают в разных направлениях, и как направлена индукция магнитного поля от каждого из проводов?
А) Проводники притягиваются, векторы индукции магнитного поля от проводов направлены в разные стороны.
Б) Проводники притягиваются, векторы индукции магнитного поля от проводов направлены в одну сторону.
В) Проводники отталкиваются, векторы индукции магнитного поля от проводов направлены в одну сторону.
Г) Проводники отталкиваются, векторы индукции магнитного поля от каждого из проводов направлены в разные стороны.
Д) Проводники притягиваются, векторы индукции магнитного поля от каждого из проводов параллельны направлению соответствующих токов.

3. По двум параллельным проводам в одном направлении протекает электрический ток 1 А. Расстояние между проводами 1 м. Определите, как изменится сила Ампера, действующая на участок провода, если расстояние между проводами увеличить в 2 раза?
А) Увеличится в 2 раза.
Б) Уменьшится в 2 раза.
В) Увеличится в 4 раза.
Г) Уменьшится в 4 раза.
Д) Не изменится.

4. По двум параллельным проводам в разных направлениях протекает электрический ток 2 А. Расстояние между проводами 1 м. Определите, как изменится сила Ампера, действующая на участок провода, если расстояние между проводами уменьшить в 2 раза?
А) Увеличится в 2 раза.
Б) Уменьшится в 2 раза.
В) Увеличится в 4 раза.
Г) Уменьшится в 4 раза.
Д) Не изменится.

5. По двум бесконечным параллельным проводникам протекают токи в разных направлениях. Определить направление индукции магнитного поля от каждого проводника.
А) Вектор индукции магнитного поля от каждого проводника направлен в ту же сторону, что и соответствующий ток.
Б) Вектор индукции магнитного поля от каждого проводника направлен в противоположную сторону к соответствующему току.
В) Векторы индукции магнитного поля от каждого проводника направлены в одну сторону по касательным к окружностям, центр которых находится на оси проводников.
Г) Индукция магнитного поля от каждого проводника направлена в разные стороны по касательным к окружностям, центр которых находится на оси проводников.
Д) Определить направление индукции магнитного поля от каждого проводника невозможно.

6. По двум параллельным проводам в разных направлениях протекает электрический ток 1 А. Расстояние между проводами 1 м. Определите, как изменится сила Ампера, действующая на участок провода, если расстояние между проводами уменьшить в 2 раза, а силу тока в одном из проводов увеличить в 4 раза?
А) Увеличится в 2 раза.
Б) Уменьшится в 2 раза.
В) Увеличится в 4 раза.
Г) Уменьшится в 4 раза.
Д) Увеличится в 8 раз.
Верные ответы: 1 – А, 2 – В, 3 – Б, 4 – А, 5 – В, 6 – Д. При решении учащимися соответствующих контрольных вопросов статистика верных и неверных ответов будет внесена в журнал достижений.

После этого провести компьютерные эксперименты по определенным заданиям и проверить свои решения. Компьютерные эксперименты к лабораторной работе, по которым можно провести соответствующий компьютерный эксперимент, специально составлены как задания с числами, соответствующими интерактивной лабораторной работе.

Эксперимент № 1. По двум бесконечным параллельным проводникам протекают токи 1 А и 2 А в разных направлениях. Расстояние между проводниками 0,8 м. Определить величину и направление индукции магнитного поля на расстоянии 0,8 м от каждого проводника. Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
Ответ. Индукция магнитного поля направлена в одну сторону. От первого тока , от второго тока .

Эксперимент № 2. Сила тока в проводниках, расположенных параллельно на расстоянии 1 м друг от друга, равна соответственно 1 А и 2 А. Токи протекают в одном направлении. Определить индукцию магнитного поля на расстоянии 1 м от каждого проводника. Во сколько раз по модулю индукция от второго проводника больше индукции от первого проводника? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ. Индукция магнитного поля ₁₂ = 2∙10 –7 Тл, ₁₂ = –4∙10 -7 Тл.
Ответ. В 2 раза.

Эксперимент № 3. По двум длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии 0,5 м, течет ток соответственно 2 А и 1,5 А в разных направлениях. Определить, во сколько раз изменится сила взаимодействия, если расстояние увеличить в 2 раза. Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
Ответ. Уменьшится в 2 раза.

Эксперимент № 4. По двум длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии 0,5 м, протекают токи в одном направлении. Сила тока в проводниках 2 А. Во сколько раз изменится сила взаимодействия проводников, если расстояние увеличить в три раза? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
Ответ. Уменьшится в 3 раза.

Все действия учащихся с заданиями к лабораторной работе также фиксируются в журнале достижений курса «Открытая Физика 2.6».

• В каком случае совпадают направления векторов магнитной индукции ₁ и ₂ при взаимодействии двух параллельных проводов с током?
• Могут ли силы, действующие на два параллельных проводника с током быть разными по значению? А по направлению?
• Как изменяется при взаимодействии двух параллельных током при увеличении расстояния между ними в 2 раза индукция магнитного поля и сила взаимодействия двух проводников?

• По проведению фронтального эксперимента.
• Данные из журнала достижений по ответам на контрольные вопросы.
• Данные из журнала достижений по проведению компьютерных экспериментов.

Отметка за выполнение компьютерной работы ставится по журналу достижений индивидуально каждому учащемуся.