3. Электродинамические силы между параллельными проводниками

Бесконечной длины

Возьмем два параллельных круглых проводника 1 и 2 (рис. 4), расположенных в одной плоскости на расстоянии друг от друга и обтекаемых токами i₁ и i₂. Расчет будем производить первым методом. Проделав все операции аналогично выражениям (2) — (8) и учитывая, что sin β = 1, так как проводники расположены в одной плоскости, и вектор индукции в данном случае перпендикулярен этой плоскости (β=90°), получим

, (15)

где

Выразим подынтегральные переменные второго интеграла через одну из переменных, а именно через угол α. Примем за начало координат элемент dyи направление токов, совпадающее с положительным направлением координат. В этом случае текущая координата

(16)

Подставив полученные выражения в уравнение (15) и считая, что проводник 2 распространяется от — ∞ до + ∞, чему соответствует изменение угла α от π до 0, получим

(17)

Очевидно, если проводник 1 (l₁), так же как и проводник 2, распространяется до ±∞, то с будет стремиться к бесконечности.

Конечной длины

Если проводник 1 имеет конечную длину, то

(18)

Согласно выражению (8) сила, действующая на проводник 1, равна

(19)

Уравнение (19) определяет силу взаимодействия между двумя проводниками, один из которых бесконечно длинен, а второй имеет конечную длину l и расположен симметрично относительно первого. В случае, когда оба проводника будут иметь конечную длину l, пределы интегрирования для выражения (17) будут уже не от π до 0, а от α₂ до α₁(см. штриховые линии на рис. 4) и сила взаимодействия между двумя круглыми проводниками конечной и равной длины определится уравнением

. (20)

В уравнении (20) множитель перед скобками представляет собой силу взаимодействия между двумя проводниками, один из которых имеет бесконечную длину. Обозначим эту силу через F_∞. Коэффициент, заключенный в скобках, представляет собой величину, меньшую единицы. При α/1<0,2 (в практике, как правило, α/1<< 0,2) величиной (α/l)²по отношению к единице можно пренебречь. Тогда уравнение (20) примет вид (21)

(21)

Неравной длины

В практике весьма часто проводники имеют неравную длину. Силу взаимодействия между такими проводниками можно найти изложенным выше способом, производя интегрирование каждый раз в соответствующих пределах. Можно эту задачу решить, применив уравнение (20).

На рис. 5 приведены два проводника неравной длины l₁ и l₂, расположенные друг от друга на расстоянии а и обтекаемые токами i₁ и i₂. Нарастим проводник l₂ на отрезок l₃ до длины, равной l₁.Проводник l₁можем также представить состоящим из двух отрезков l₂ и l₃. Тогда можем написать, что сила взаимодействия между проводниками длиной l₁ и l₂(Fl₁l₂) равна сумме сил взаимодействия между двумя проводниками l₂ одинаковой длины (Fl₂l₂) и двумя проводниками длиной l₂ и l₃(Fl₂l₃):

(22)

Аналогично можно написать

(23)

Сложив уравнения (22) и (23), получим

(24)

Таким образом, сила взаимодействия между двумя проводниками неравной длины выражается через силу взаимодействия проводников равной длины:

(25)

При этом l₁ и l₂ — величины заданные, а l₃= l₁ - l₂.

Сила взаимодействия между круглыми параллельными проводниками может быть также определена по изменению запаса электромагнитной энергии.

Первый случай — оба проводника принадлежат к одной системе. Индуктивность системы из двух параллельных проводников радиусом rи длиной l, находящихся на расстоянии а, при условии, что l>> а, определяется формулой

(26)

Нас интересует сила, действующая в направлении а. Согласно выражению (13)

(27)

из уравнения (26)

тогда

(28)

Из выражения (28) видно, что результат получился таким же, как и при определении этих сил, первым методом.

Второй случай — проводники принадлежат к двум различным системам, при этом сами системы не претерпевают деформации. Взаимная индуктивность между двумя проводниками длиной l, находящимися друг от друга на расстоянии а, при условии, что l >> а, определяется формулой

(29)

Согласно формуле (13) сила, действующая в направлении а,

где

так как сами системы не претерпевают деформации, а из выражения (29)

Тогда

(30)

т.е. результат, как и следовало, получился тот же.

Для двух параллельных проводников, расположенных с любым сдвигом, Г.Б. Холявский получил удобную для расчета коэффициента контура формулу, основанную на геометрической интерпретации приведенных выше уравнений.

Величина

представляет собой длину диагонали D(рис. 6) прямоугольника со сторонами l и а; следовательно, согласно уравнению (20) для проводников равной длины

(31a)

а согласно уравнению (25) для проводников неравной длины (рис. 7)

(31б)

т.е. коэффициент контура равен разности суммарных диагоналей и боковых сторон четырехугольника (прямоугольник, трапеция, параллелограмм), построенного на данных отрезках проводников, деленной на его высоту.

Для проводников прямоугольного сечения (шин) следует вводить поправочный коэффициент — коэффициент формы k_ф, зависящий от размеров проводников и расстояний между ними:

(32)

4. Электродинамические силы между взаимно перпендикулярными проводниками

На рис. 8 и 9 приведены часто встречающиеся в аппаратах формы перпендикулярно расположенных проводников, например в рубильниках, мостиковых контактных системах и многих других аппаратах и узлах. Произведя расчеты, аналогичные предыдущим (первый метод), получим следующие выражения для сил, действующих на проводник 1 по рис.8
при h →∞

(33)

и при hконечном

(34)

по рис. 9 сила будет соответственно в два раза большей:

(35)

(36)

Моменты относительно точки О, действующие на проводник 1 (h →∞), по рис. 8:

(37)

(38)

Момент относительно точки О, действующий на половину проводника 1 (рис. 9),

(39)

5. Электродинамические силы в кольцевом витке и между кольцевыми витками

Для одного витка

В кольцевом витке (рис. 10) с током i возникают радиальные силы f_R, стремящиеся увеличить его периметр, т.е. разорвать виток. Если считать, что сечение проводника не деформируется, то согласно выражению (13) общая радиальная сила, действующая на виток, будет