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 l₁ можем также представить состоящим из двух отрезков l₂ и l₃. Тогда можем написать, что сила взаимодействия между проводниками длиной l₁ и l₂ (F l₁ l₂) равна сумме сил взаимодействия между двумя проводниками l₂ одинаковой длины (F l₂ l₂) и двумя проводниками длиной l₂ и l₃ (F l₂ l₃):

(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 r и 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 h конечном

(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

(40)

На единицу длины витка приходится сила

(41)

Для того чтобы найти силу F_R, стремящуюся разорвать виток, необходимо проинтегрировать проекции радиальных сил, действующих на четверти витка. На элемент окружности витка Rdφ действует сила f_RRdφ, проекция которой на ось х равна f_RRdφ cos φ, откуда

(42)

Для витка круглого сечения при R >> r

(43)

и

(44)

Аналогично для витка прямоугольного сечения

(45)

и

(46)

Для нескольких витков

Приведенные формулы для электродинамических сил применимы не только к одному витку, но и к обмоткам с любым числом витков п, занимающим данное сечение. В этом случае за значение тока следует принимать суммарное значение тока всех витков i =ni_в.

В катушках аппаратов, кроме сил, действующих внутри каждого витка, будут существовать электродинамические силы между витками. Между витками (рис. 11а), если считать, что токи в них направлены одинаково, возникает сила притяжения F. Силу F можно представить как результирующую двух составляющих, а именно силы F_y, стремящейся притянуть витки друг к другу, и силы F_x, стремящейся один из витков (при одинаково направленных токах — виток с меньшим диаметром) растянуть, а другой виток (в данном случае виток большего диаметра) — сжать. Таким образом, в одном из витков сила F_x будет складываться с силой F_R, а в другом — вычитаться из нее.

Значения составляющих силы взаимодействия между двумя витками определяются уравнениями:

(47)

(48)

где c = R₂-R₁; R₂> R₁. Зависимости F_x и F_y от расстояния между витками представлены на рис. 11, б и в.

6. Электродинамические силы в проводниках переменного сечения

В проводнике силы взаимодействия отдельных линий тока с собственным магнитным полем проводника направлены перпендикулярно линиям тока. При неизменном сечении проводника все линии тока параллельны и силы не имеют осевой составляющей (в цилиндрическом проводнике они направлены по радиусу: F = F_r на рис. 12).

При изменении сечения проводника линии тока искривляются, и кроме поперечной F_r появляется продольная составляющая F_l стремящаяся разорвать место перехода вдоль оси проводника. Эта сила всегда направлена в сторону большего сечения и равна

(49)

Формула справедлива для любого перехода.

7. Силы взаимодействия между проводником с током и ферромагнитной массой

Вблизи ферромагнитной массы

Вблизи ферромагнитной массы магнитное поле вокруг проводника с током (рис 13) искажается, магнитные силовые линии стремятся замкнуться по массе и возникают силы, стремящиеся притянуть проводник к этой массе.

Значение силы притяжения может быть определено из следующих соображений. Заменим ферромагнитную массу вторым проводником с током того же направления, расположенным на таком же расстоянии от границы раздела сред. Картина поля при этом не нарушится, так как одновременно с удвоением длины магнитной силовой линии удвоилась и магнитодвижущая сила (2i вместо i), т.е. такая замена вполне правомерна. Силы взаимодействия между двумя параллельными проводниками подсчитываются по уравнениям (19) и (20). Только в данном случае вместо расстояния а надо брать 2а, т.е.

(50)

Следует при этом помнить, что приведенные рассуждения полностью справедливы при бесконечно большой проницаемости магнитных силовых линий в ферромагнитной массе по отношению к их проницаемости в воздухе. Фактически с учетом магнитного сопротивления массы и насыщения силы будут несколько меньшими.

Внутри ферромагнитной массы

Если проводник с током находится внутри ферромагнитной массы (рис. 14), то те же силы будут отталкивать его от границы раздела. Картина поля, а следовательно, и сила взаимодействия будут такими, как если бы за пределами ферромагнитной массы на таком же расстоянии был расположен проводник с таким же током, но обратного направления. Значение силы определяется тем же уравнением (50).

Аналогичные силы притяжения будет испытывать проводник, расположенный в щели постоянного (рис. 15) или переменного (рис. 16) сечения в ферромагнитной массе. Без учета насыщения

(51)

где l - длина щели (перпендикулярно плоскости чертежа); δ и δ_Х — ширина щели в месте расположения проводника.

В щели постоянного сечения сила, затягивающая проводник вглубь, будет неизменной, а в щели переменного сечения — переменной, возрастающей по мере сужения щели.

Уравнение (51) относится к проводнику, расположенному в щели строго симметрично, когда сила действует по оси х. Однако если проводник окажется смещенным с оси симметрии, то силы притяжения его к противоположным стенкам (по оси у) окажутся неравными. Проводник будет перемещаться по какой-то кривой, показанной штриховой линией, определяемой двумя переменными составляющими сил F_x и F_y.

8. Электродинамические силы при переменном токе

При однофазном токе

Рассмотрим силы, действующие между параллельными проводниками, сначала при однофазном токе.

Согласно выражению (15) электродинамические силы

При переменном токе i = I_m sinωt сила

₍₅₂₎

Т.е. сила меняется с частотой, в два раза большей частоты тока (рис. 17).

Силу f можно представить как сумму двух составляющих: постоянной и переменной , меняющейся с двойной частотой по закону косинуса. Так как косинус угла принимает значения от +1 до -1, то сила будет изменяться от до не меняя своего знака.

В расчетах учитывается максимальное значение силы

(53)