"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Электрический ток создаёт магнитное поле, а это поле действует на другие проводники с током. Поэтому два проводника могут притягиваться или отталкиваться: всё зависит от направлений токов. Для параллельных проводников силу взаимодействия на единицу длины находят по формуле, в которой учитываются оба тока и расстояние между проводами. Это явление помогает понять силу Ампера и показывает, как физические взаимодействия использовали при установлении единицы силы тока — ампера.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Взаимодействие электрических токов — действие проводников с током друг на друга посредством магнитного поля. Ток создаёт поле, а поле одного проводника действует на ток в другом. Это понятие помогает объяснить, почему проводники могут двигаться навстречу друг другу или расходиться.
Сила взаимодействия токов — сила, с которой один проводник с током действует на другой. Для параллельных проводников её величина зависит от силы обоих токов и расстояния между проводами. Обычно рассматривают силу на единицу длины, чтобы сравнивать участки разной длины.
Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. В случае двух проводников поле одного тока действует на второй ток, и возникающая сила является частью их взаимного действия. Чтобы описать его направление, нужно знать направление и поля, и тока в проводнике.
Движущиеся электрические заряды создают магнитное поле вокруг проводника. Поэтому, когда рядом помещают второй проводник с током, он оказывается внутри этого поля. Магнитное поле действует на движущиеся заряды во втором проводе, а их совместное действие передаётся проводнику как сила Ампера. Поскольку каждый из проводников создаёт собственное поле, они действуют друг на друга.
Для двух параллельных проводников результат зависит от направления токов. Если токи направлены одинаково, магнитные силы направлены так, что провода сближаются. При противоположных направлениях токов силы разворачиваются и проводники удаляются друг от друга. Это правило относится именно к параллельным токам; для проводов иной формы характер взаимодействия нужно определять отдельно.
Направление силы находят правилом левой руки. Сначала определяют, куда направлено магнитное поле первого проводника в месте, где расположен второй, а затем учитывают направление тока во втором. Если ладонь расположить так, чтобы линии поля входили в неё, а вытянутые пальцы были направлены по току, отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы. Для силы на первом проводнике рассуждение повторяют, поменяв проводники местами.
Для параллельных проводников сила на единицу длины определяется формулой F/l = μ₀I₁I₂/(2πr). Здесь F — сила взаимодействия на участке длиной l, I₁ и I₂ — силы токов, r — расстояние между осями проводников, μ₀ — магнитная постоянная. Произведение токов стоит в числителе, поэтому увеличение любого тока усиливает взаимодействие; расстояние находится в знаменателе, поэтому удаление проводов его ослабляет. Формулу применяют к длинным параллельным проводникам, а величины в расчётах выражают в единицах СИ.
Взаимодействие параллельных токов использовали для установления ампера: задавали токи, расстояние между проводниками и измеряли силу на определённом участке их длины. Историческое определение единицы связывало один ампер с такой силой взаимодействия двух прямых параллельных проводников. В современной системе СИ ампер определяется через фиксированное значение элементарного заряда, однако этот опыт по-прежнему наглядно показывает физический смысл магнитного действия тока.
| Направление токов | Направление силы на проводники | Результат взаимодействия |
|---|---|---|
| В одну сторону | Навстречу друг другу | Притяжение |
| В противоположные стороны | В разные стороны, от соседнего проводника | Отталкивание |
Сначала сравните направления токов, затем найдите соответствующую строку таблицы. Направление силы указано для каждого проводника: силы взаимны и направлены противоположно. Таблица помогает определить характер взаимодействия, но не заменяет правило левой руки, если требуется направление силы относительно выбранных осей.
Задача 1. Два параллельных проводника расположены на расстоянии 8 см. Токи 2 А и 3 А направлены в одну сторону. Определите характер взаимодействия.
Задача 2. Токи 4 А и 5 А направлены противоположно, расстояние между параллельными проводниками — 10 см. Найдите силу взаимодействия на участке длиной 1 м.
Задача 3. Сила взаимодействия на единицу длины равна 2·10⁻⁵ Н/м. Одинаковые токи равны 2 А. Найдите расстояние между проводниками.
Считать, что проводники с током всегда притягиваются, — неверно: результат определяется направлениями токов. Ошибка возникает, если запомнить только один случай взаимодействия параллельных проводов. Перед ответом сравните направления: одинаковые означают притяжение, противоположные — отталкивание.
Путать направление магнитного поля с направлением силы тоже нельзя: поле само по себе не указывает, куда движется проводник. Силу находят правилом левой руки, учитывая одновременно поле и ток во втором проводе. Проверьте, что пальцы направлены по току, а ладонь ориентирована относительно магнитного поля.
Формулу F/l = μ₀I₁I₂/(2πr) иногда применяют к проводам любой формы, хотя она относится к параллельным проводникам. Такое упрощение не учитывает, что при иной геометрии направление поля и силы меняется вдоль провода. Перед подстановкой проверьте, параллельны ли проводники на рассматриваемом участке.
Подстановка расстояния в сантиметрах даёт неверный результат, если остальные величины указаны в единицах СИ. Это часто происходит, когда единицу длины не переводят перед вычислением. Переведите сантиметры в метры и проверьте, что ответ для F/l выражен в Н/м, а для F — в ньютонах.
Для понимания взаимодействия токов нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь находить его направление по правилу правой руки. Затем применяется уже знакомая сила Ампера: поле действует на проводник с током. Та же идея используется при изучении магнитных полей и работы электродвигателей, где сила на проводник помогает создавать движение.
Почему два проводника с током могут притягиваться или отталкиваться?
Каждый ток создаёт магнитное поле, которое действует на второй проводник с током. В зависимости от направления токов возникающие силы направлены так, что проводники либо сближаются, либо удаляются.
Как определить направление силы, действующей на каждый проводник?
Сначала определите направление магнитного поля, созданного одним проводником, например, по правилу правой руки. Затем примените правило левой руки к полю и току во втором проводнике; для силы на первом проводнике поменяйте проводники местами.
Что происходит с параллельными токами, направленными в одну сторону?
Параллельные проводники с сонаправленными токами притягиваются. Каждый проводник находится в магнитном поле другого, и сила Ампера направлена к соседнему проводнику.
От чего зависит сила взаимодействия проводников с током?
Для параллельных проводников сила на единицу длины зависит от произведения сил токов и расстояния между проводниками. Чем больше токи, тем сильнее взаимодействие; чем дальше провода друг от друга, тем оно слабее.
Как взаимодействие токов связано с определением ампера?
Раньше ампер определяли через силу взаимодействия двух параллельных проводников с током, заданными токами и расстоянием между ними. Сейчас единицу тока определяют через фиксированное значение элементарного электрического заряда, но опыт с проводниками по-прежнему наглядно показывает связь силы тока с магнитным взаимодействием.
§25. Взаимодействие электрических токов
