Magnetna sila med dvema vzporednima žicama – problemi in rešitve
1. Dva vzporedna vodnika, po katerih tečeta tok I1 in jaz2, kot je prikazano na spodnji sliki. Kakšna je velikost in smer magnetna sila, ki jo občutita oba prevodnika? (μo = 4π * 10-7 Wb.A-1.m-1)
Znano:
Naš električni tok 1 (jaz1) = 3 amperov
Električni tok 2 (I2) = 5 amperov
Prepustnost prostega prostora (µo) = 4π x 10-7 svetovna banka A-1 m-1
Razdalja med obema vodnikoma (L) = 5 cm = 5 x 10-2 metrov
Zaželeno: Velikost in smer magnetne sile
Rešitev:
Smer električnega toka na vodniku 1 je nasprotna smeri električnega toka na vodniku 2. Antiparalelni tokovi (v nasprotnih smereh) delujejo odbojno silo drug na drugega.
Velikost magnetne sile:
F/l = 6 x 10-5 Newton
2. Dve vzporedni žici, po katerih tečeta tok I1 in jaz2 so oddaljene 20 cm. Kolikšna je velikost magnetne sile, ki deluje na vsako žico (μo = 4π * 10-7 Wb.A-1.m-1)
Znano:
Električni tok 1 (I1) = 5 amperov
Električni tok 2 (I2) = 4 amperov
Prepustnost prostega prostora (µo) = 4π x 10-7 svetovna banka A-1 m-1
Razdalja med obema žicama (L) = 20 cm = 20 x 10-2 metrov
Zaželeno: Velikost magnetne sile
Rešitev:
Smer električnega toka na vodniku 1 je nasprotna smeri električnega toka na vodniku 2. Antiparalelni tokovi (v nasprotnih smereh) delujejo odbojno silo drug na drugega.
Velikost magnetne sile:
F/l = 2 x 10-5 Newton
20 konceptualnih vprašanj in odgovorov, povezanih z magnetno silo med dvema vzporednima žicama:
1. vprašanje: Kaj je glavni vzrok magnetne sile med dvema vzporednima žicama, po katerih teče tok?
Odgovor: Magnetna sila med dvema vzporednima žicama nastane zaradi magnetnih polj, ki jih ustvarjajo tokovi v vsaki žici, ki delujejo na drugo žico.
2. vprašanje: Kako smer toka v obeh žicah vpliva na silo med njima?
Odgovor: Če tokova tečeta v isto smer, se žici privlačita. Če tokova tečeta v nasprotnih smereh, se žici odbijata.
3. vprašanje: Kakšna je povezava med razdaljo med žicami in magnetno silo?
Odgovor: Magnetna sila je obratno sorazmerna z razdaljo med žicami. Z večanjem razdalje se sila zmanjšuje.
4. vprašanje: Kako velikost toka v žicah vpliva na silo?
Odgovor: Sila je neposredno sorazmerna z produktom tokov v obeh žicah.
5. vprašanje: Kaj se zgodi s silo, če ena od žic nima toka?
Odgovor: Sila bo nič, ker žica brez toka ne ustvarja magnetnega polja, ki bi vplivalo na drugo žico.
6. vprašanje: Zakaj se magnetna sila med dvema vzporednima žicama šteje za brezkontaktno silo?
Odgovor: Sila je posledica interakcije njunih magnetnih polj, ne pa neposrednega fizičnega stika.
7. vprašanje: Kako se magnetno polje, ki ga ustvari ena žica, spreminja z razdaljo?
Odgovor: Jakost magnetnega polja se zmanjšuje z naraščajočo oddaljenostjo od žice.
8. vprašanje: Ali je mogoče magnetno silo med dvema vzporednima žicama oklopiti ali blokirati?
Odgovor: Čeprav je popolna zaščita magnetnih polj zahtevna, lahko uporaba materialov z visoko magnetno prepustnostjo preusmeri in zmanjša vpliv polj drug na drugega.
9. vprašanje: Če sta žici pravokotni druga na drugo, kako se spremeni magnetna sila med njima?
Odgovor: Če so žice pravokotne in se njihovi tokovi križajo, ne bodo izvajale preproste privlačne ali odbojne sile druga na drugo, kot to počnejo vzporedne žice.
10. vprašanje: Kako se določi smer magnetne sile na žico, po kateri teče tok?
Odgovor: Smer lahko določimo z uporabo pravila desne roke: palec usmerimo v smer toka, upognjeni prsti pa bodo pokazali smer magnetnega polja.
11. vprašanje: Ali je magnetna sila med dvema vzporednima žicama centralna sila?
Odgovor: Ne, to ni centralna sila, ker sta smer in velikost sile odvisni tako od relativne orientacije kot od razdalje med žicami.
12. vprašanje: Ali lahko žice čutijo silo, tudi če so nameščene v vakuumu?
Odgovor: Da, magnetna sila med žicami ni odvisna od medija; lahko obstaja v vakuumu.
13. vprašanje: Kakšna je povezava med enoto za tok, amperom, in silo med dvema žicama?
Odgovor: En amper je definiran kot tok, ki pri teku skozi dva vzporedna vodnika neskončne dolžine, ki sta v vakuumu oddaljena en meter, povzroči silo 2 x 10^(-7) Newtonov na meter dolžine med žicama.
14. vprašanje: Ali material žic vpliva na magnetno silo med njimi?
Odgovor: Material žic ne vpliva neposredno na silo. Sila je odvisna od toka in razdalje med žicami.
15. vprašanje: Kakšna je vloga prepustnosti prostega prostora (μ₀) v sili med dvema vzporednima žicama?
Odgovor: Prepustnost prostega prostora je konstanta, ki povezuje jakost magnetnega polja s tokom, ki ga povzroča, in se pojavi v formuli za silo med dvema žicama, po katerih teče tok.
16. vprašanje: Ali lahko magnetne sile opravljajo delo na žicah?
Odgovor: Čeprav magnetne sile lahko izvajajo silo na žico, po kateri teče tok, ne opravljajo dela, saj delujejo pravokotno na smer gibanja.
17. vprašanje: Kako dolžine žic vplivajo na magnetno silo med njimi?
Odgovor: Sila je sorazmerna z dolžinami žic, ki so vzporedne in blizu druga drugi.
18. vprašanje: Ali obstajajo kakšne resnične aplikacije ali posledice magnetne sile med vzporednimi žicami?
Odgovor: Da, v električnih tokokrogih, zlasti tistih z visokimi tokovi, lahko magnetna interakcija med žicami povzroči njihovo premikanje, kar je treba upoštevati pri načrtovanju.
19. vprašanje: Če je ena žica zvita v zanko, kako to vpliva na magnetno silo?
Odgovor: Zvita žica ali solenoid ustvarja močnejše magnetno polje kot ravna žica, kar spreminja silo med njo in drugo žico.
20. vprašanje: Ali se lahko magnetne sile med vzporednimi žicami uporabijo za merjenje toka?
Odgovor: Da, naprave, kot je tokovna tehtnica, uporabljajo magnetno silo med žicami za merjenje toka tako, da ga enačijo z znano mehansko silo.
Razumevanje magnetne sile med vzporednimi žicami je temeljnega pomena v elektromagnetizmu in ima posledice za načrtovanje vezij, elektroniko in elektrotehniko.
