Для демонстрации магнитного взаимодействия двух катушек с протекающими в них электрическими токами профессор Московского университета А. А. Эйхенвальд предложил следующий опыт. Катушка № 1 обладает длинным цилиндрическим сердечником, на который намотано много витков изолированного провода. Эта катушка неподвижно крепится на столе так, чтобы ось ее сердечника была расположена горизонтально. Катушка № 2 намотана на легкий кольцевой каркас, внутренний диаметр которого немного превышает диаметр сердечника катушки № 1. К катушке № 2 подсоединяются два тонких гибких провода, на которых она, подобно маятнику, подвешивается к штативу. Эти провода позволяют свободно висящей катушке №2 вращаться вокруг вертикальной оси и совершать колебания. Длина проводов и расположение штатива подбираются так, чтобы катушка № 2 висела вблизи торца сердечника катушки № 1 и могла свободно надеваться на эту катушку. При этом горизонтальные оси катушек совсем немного не совпадают друг с другом.
Сначала через эти две катушки пропускают постоянные электрические токи таким образом, чтобы между ними возникли силы магнитного притяжения. В результате этого катушка № 2 притягивается к катушке № 1 и надевается на нее (см. рис.). Затем направление протекания тока в катушке № 1 изменяют на противоположное, а ток, текущий через катушку № 2, оставляют прежним. Опишите, что после этого будет происходить с катушкой № 2. Ответ поясните, указав, какие физические закономерности Вы использовали для объяснения.
1. При протекании постоянного электрического тока через катушки каждая из них ведет себя как постоянный магнит. Полюса этих магнитов расположены на торцах катушек. В исходном положении между катушками действуют силы магнитного притяжения. Следовательно, катушки ориентированы друг к другу разноименными магнитными полюсами, то есть токи в катушках текут в одном направлении.
2. После изменения направления тока, текущего в катушке № 1, ее магнитные полюса поменяются местами. Поэтому катушки окажутся ориентированными друг к другу одноименными магнитными полюсами, и между катушками возникнет отталкивание. Под действием силы отталкивания катушка № 2 «снимется» с сердечника катушки № 1, приобретя при этом некоторую скорость.
3. Затем катушка № 2 начнет колебаться на своих проводах в магнитном поле катушки № 1, удаляясь от нее. Однако, положение двух постоянных магнитов, при котором их одноименные магнитные полюса ориентированы навстречу друг другу, является неустойчивым. Поскольку оси катушек немного не совпадают друг с другом, а магнитное поле, создаваемое катушкой № 1 вблизи торца сердечника, является неоднородным, в процессе колебаний катушка № 2 будет немного поворачиваться вокруг вертикальной оси. Даже при небольшом повороте на катушку № 2 начнет действовать со стороны магнитного поля катушки № 1 момент сил, под действием которого катушка № 2 будет продолжать разворачиваться вокруг вертикальной оси, и в итоге она развернется на 180°. После этого катушки снова окажутся ориентированными друг к другу разноименными магнитными полюсами.
4. В результате катушки вновь начнут притягиваться друг к другу, и катушка № 2 опять наденется на катушку № 1. Это расположение катушек будет устойчивым.