14-8 Pôsobenie medzi prúdmi

14-8 Pôsobenie medzi prúdmi

Vodič, ktorým tečie elektrický prúd a nachádza sa súčasne aj v magnetickom poli, je vystavený silovým účinkom. Pôsobí na neho sila. V zmysle pravidla pravej ruky je táto sila kolmá aj na prúd, aj na magnetické pole: činnosť elektromotorov v každodennom živote je založená na tomto jave. Okrem niektorých zvláštnych motorov, sa magnetické pole v motoroch vytvára pomocou elektromagnetov.

Doteraz sme hovorili o pôsobení medzi prúdmi a magnetickými poliami. Ako vypadá pôsobenie medzi dvomi prúdmi? Tento problém študoval ako prvý Ampèr a spozoroval, že dva rovnobežné vodiče, v ktorých tečie prúd v súhlasnom smere sa priťahujú. Ak v nich tečie prúd v nesúhlasných smeroch, sa odpudzujú. Tieto situácie sú znázornené aj na obrázkoch 14.12a a b. Takýto účinok medzi prúdmi si vieme vysvetliť, ak vyjdeme zo správania sa vodičov (v ktorých tečie prúd) v magnetickom poli. Teraz je každý vodič v magnetickom poli toho druhého; každý priťahuje, alebo odtláča ten druhý v závislosti od toho, že v ktorom smere v nich tečie prúd.

Ako príklad zoberme dva priame, dlhé, rovnobežné vodiče (M a N), ktoré sú od seba vo vzdialenosti a metrov (obrázok 14.13). Intenzita magnetického poľa (H) vyvolaného prúdom IM, vo vzdialenosti a je IM∕(2πa) (práve vo vzdialenosti a tečie prúd IN). Hustota magnetického toku – za predpokladu že medzi vodičmi je vákuum alebo vzduch – je B = μH, teda (12,57 × 10−7 N/A2)IM∕(2πa). Silu, ktorá pôsobí na vodič N určiť nevieme, lebo nevieme aký dlhý je, ale silu, ktorá pôsobí na jej 1 meter dlhú časť, už áno

F = B(1 m)IN,

teda

F = (12,57 × 10−7 N/A2)(1 m)IMIN 2πa .

Pravidlo pravej ruky prezrádza aj to, že sila pôsobiaca na vodič N ho priťahuje k vodiču M.

Z Newtonovho tretieho zákona vieme aj to, že ak vodič M pôsobí prostredníctvom svojho magnetického poľa takouto silou na vodič N, potom vodič N pôsobí rovnako veľkou, ale opačne orientovanou silou na vodič M. Krátky výpočet nás môže presvedčiť o tom, že tomu tak skutočne je.

Ak prúdy tečú vo vzájomne opačných (teda v nesúhlasných) smeroch, potom veľkosť sily je síce rovnaká, ale v zmysle pravidla pravej ruky je ich smer opačný: prúdy sa odpudzujú.

Ako príklad pre použitie práve odvodeného vzorca (ktorý sa mimochodom nazýva Ampèrov zákon) si predstavme dva 50 cm dlhé rovnobežné drôty vo veľkom elektromotore. Nech sú od seba vo vzdialenosti 1 cm a skoro dokonale nemagnetický izolačný materiál medzi nimi nech má permeabilitu ako vzduch. V dôsledku skratu v motore začne vo vodičoch tiecť prúd veľkosti 5000 A (skrat nastáva väčšinou mechanickým poškodením nejakej časti izolujúceho materiálu, v dôsledku čoho prúd si nájde cestu s veľmi malým odporom). Akou veľkou silou sa snaží jeden vodič dĺžky l odtlačiť od seba druhý vodič dĺžky l, ak predpokladáme, že prúd vo vodičoch tečie v nesúhlasných smeroch? Do Ampèrovho zákona môžeme priamo dosadiť číselné údaje

F = (12,57 × 10−7 N/A2)I1I2 2πa l = (12,57 × 10−7 N/A2)(5000 A)(5000 A) 2π × 0,01 m l = (500 N/m)l

Nakoľko dĺžka drôtov je po jednom 50 cm = 0,5 metra, sila pôsobiaca na jednotlivé vodiče je 250 N. (Tiaž 1 kilogramového závažia je približne 10 newtonov, a sila pôsobiaca na vodiče je približne tiaž závažia s hmotnosťou 25 kg.)