Как определить силу ампера по правилу левой руки

Правило правой и левой руки: формулировка и применение

Для корректной оценки некоторых процессов учитывают направление силовых линий, полярность, угловую скорость. При создании запорного устройства на основе соленоида, например, нужно правильно определить, в какую сторону будет перемещаться сердечник после подключения источника тока. Правило буравчика поможет решать подобные задачи быстро и точно, без сложных вычислений.

Специальные правила упрощают определение параметров электромагнитного поля

Правило буравчика кратко и понятно

Схематичное изображение правила буравчика

В электротехнике ПБ показывает направление ЛМИ с привязкой к вектору электрического тока, проходящего в проводнике, и наоборот — определяет путь электротока в катушке во взаимосвязи с вектором ЛМИ.

Для экспериментального понимания нужно взять штопор или винт с правосторонней резьбой и сначала закручивать, а после откручивать. В первом случае это будет происходить по часовой стрелке и винт (штопор) будет двигаться вверх, а во втором случае вращение будет против часовой стрелки и винт (штопор) будет двигаться вниз. Соответственно этому и направление тока будет следовать поведению винта: вверх в первом случае и вниз во втором случае (показано стрелкой).

Правило правой и левой руки в физике

Правило правой руки

Для визуального восприятия правила правой руки (ППР) надо зафиксировать эту руку в таком положении, чтобы силовые линии магнитного поля (ЛМП) оказались в ладони, а большой палец на уровне прямого угла был бы отогнут вверх, напоминая жест «всё отлично». Указанное большим пальцем направление будет аналогично направлению тока относительно МП. Другие 4 пальца кисти руки, укажут на сторону вращения линий индукции, создаваемого МП. Отсюда вывод — ППР определяет направление ЛМИ с направлением тока прямолинейного проводника.

Правило левой руки

Правило левой руки (ПЛР) обозначает направление силы, воздействующей на имеющийся в магнитном поле проводник с током. Если ладонь левой руки зафиксировать таким образом, чтобы кисть пронизывали ЛМИ, а 4 пальца вытянуть по курсу тока в проводнике, тогда откинутый под прямым углом большой палец, укажет направленность силы, действующей на плюсовой заряд.

Отмеченное правило справедливо при решении задач как по определению сил Лоренца, так и Ампера.

Правило левой руки для закона Ампера и силы Лоренца

Справка! На минусовой заряд сила со стороны МП влияет в обратном направлении.

Объяснение названия

Явление электромагнитной индукции

После изучения общих принципов и формулировок пользоваться рассмотренными правилами несложно. Ниже подробно представлены методики, которые применяют при работе с электротехническими схемами. В частности, с их помощью определяют направление тока. При необходимости уточняют параметры образованного поля. Аналогичные технологии можно использовать в механике для оценки угловой скорости и других рабочих параметров системы. Изменяются только отдельные компоненты формул. Алгоритмы применения технологий остаются неизменными.

Правило буравчика: формулировка и определение

Схема и обозначения для правила буравчика

Формулировка и определение ПБ известны всем, кто знаком со школьным курсом физики. Но главным в этом правиле является его понимание, которое заключается в следующем:

1. ПБ, не являясь законом физики, поясняет основополагающее свойство электромагнетизма.
2. ПБ показывает свойство электрического тока и действующих рядом с ним магнитных силовых полей.

Правило буравчика: формула

ПБ даёт возможность определить некоторые параметры в электродинамике без каких-либо проблем. Взаимосвязь физических величин была выявлена в XIX столетии законом Фарадея: E = – dФ/dt, где

• Е — ЭДС;
• Ф — создаваемый вектором индукции магнитный поток;
• t — временной интервал.

«Минус», стоящий в формуле после знака равенства, объясняется условием обратной направленности ЛМП току в проводнике. Для простого рассмотрения методики использования ПБ данные, по какому методу и какое соответствие должно быть для тока в проводнике, движущемся в МП, представлены в виде таблицы.

Метод определения	Соответствие
ППР
Направление движения Б	действующей на проводник силе
Направление сложенных пальцев	индукционному току

В нижеследующей таблице представлены метод и соответствие для левой руки.

Метод определения	Соответствие
ПЛР
Направление большого пальца	движению контрольного провода
Направление сложенных пальцев	току в контрольном проводе

Для чего применяют правило буравчика

Известно, что электроток — это направленное движение элементарных частиц, переносящих заряд электричества по имеющим электропроводимость проводникам.

Магнитные поля вокруг проводника

Если взять источник электродвижущей силы (ЭДС) с током, идущим по проводу замкнутой цепи, то есть от «плюса» к «минусу», то в окружении проводника происходят вращающиеся по определённому кругу, магнитные кругообороты, конфигурация которых имеет важное значение. Эти крутящиеся поля взаимодействуют друг с другом и могут притягивать или отталкивать проводники к себе и от себя. А зависит это от того, как и в какую сторону вращаются магнитные поля.

Характер такой взаимосвязи был сформулирован Ампером в виде закона, который стал основой для возникновения электромоторов. Без знания ПБ (правила буравчика) невозможно было бы изобрести электромотор. В этом заключается экспериментальное применение правила.

При расчёте катушек индукции характерным является использование ПБ, а именно с учётом стороны, в которую направлено завихрение, можно будет воздействовать на движущийся ток, в том числе создавать при необходимости противоток.

Немного истории

Первые попытки описать электромагнитную силу были сделаны еще в XVIII веке. Ученые Генри Кавендиш и Тобиас Майер высказали предположение, что сила на магнитных полюсах и электрически заряженных объектах подчиняется закону обратных квадратов. Однако экспериментальное доказательство этого факта не было полным и убедительным. Только в 1784 году Шарль Августин де Кулон при помощи своего торсионного баланса смог окончательно доказать это предположение.

В 1820 году физиком Эрстедом был открыт факт, что на магнитную стрелку компаса действует ток вольта, а Андре-Мари Ампер в этом же году смог разработать формулу угловой зависимости между двумя токовыми элементами. По сути, эти открытия стали фундаментом современной концепции электрических и магнитных полей. Сама же концепция получила свое дальнейшее развитие в теориях Майкла Фарадея, особенно в его представлении о силовых линиях. Лорд Кельвин и Джеймс Максвелл дополнили теории Фарадея подробным математическим описанием. В частности Максвеллом было создано так званное, «уравнение поля Максвелла» – представляющее собой систему дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

Джей Джей Томпсон был первым физиком, кто попытался вывести из уравнения поля Максвелла электромагнитную силу, которые действует на движущийся заряженный объект. В 1881 году он опубликовал свою формулу F = q/2 v x B. Но из-за некоторых просчетов и неполного описания тока смещения она оказалась не совсем правильной.

И вот, наконец, в 1895 году голландский ученый Хендрик Лоренц вывел правильную формулу, которая используется и поныне, а также носит его имя, как и та сила, что действует на летящую частицу в магнитном поле, отныне называется «силой Лоренца».

Правило правой руки для магнитного поля

Правило правой руки для магнитного поля
Если в середину обмотки стремительно ввести и вывести постоянный магнит, то указатель амперметра в момент ввода отклонится в одну сторону, а вывода — в обратную.

Возникшие в таких случаях электротоки именуются индукционными. Причиной их появления является электродвижущая сила индукции (ЭДС). ЭДС в проводниках создаётся из-за действия изменяющихся МП, в которых расположены эти проводники.

Направление ЭДС индукции в проводнике по ППР можно высказать следующим образом: Если кисть правой руки установить ладонью к северному полюсу в том положении, чтобы отогнутый большой палец указывал в сторону движения проводника, то четыре пальца укажут на направление ЭДС индукции.

Формула силы Лоренца

Формула для расчета силы Лоренца выглядит следующим образом:

Где q – электрический заряд частицы, V – ее скорость, а B – величина магнитной индукции магнитного поля.

При этом поле B выступает в качестве силы, перпендикулярной к направлению вектора скорости V нагрузок и направлению вектора B. Это можно проиллюстрировать на диаграмме:

Правило правой руки для соленоида (катушки индуктивности)

Описанный принцип винта имеет отношение для случаев с прямолинейным проводником электротока. И всё же в электротехнике используются также агрегаты с проводниками, не имеющими прямолинейной формы, а закон винта в таких случаях не применяется. Это касается катушек индуктивности и соленоидов.

Соленоид, как вид катушки, представлен в виде обмотки провода в форме цилиндра с длиной, намного превышающей диаметр соленоида. Дроссель индуктивности разнится от соленоида лишь длиной самого проводника.

Правило правой руки для катушки индуктивности

Физик Ампер на основе своих изучений выяснил и подтвердил, что при прохождении электрического тока по дросселю индуктивности указатели компаса у краев провода обмотки цилиндрического типа поворачивались противоположными концами в направлении недоступных зрению потоков ЭМ поля. Эти опыты показали, что около дросселя индуктивности с током создаётся МП, а обмотка провода цилиндрического типа создает магнитные полюса. ЭМ-поле, формируемое электрическим током цилиндрической обмотки провода, похоже на МП постоянного магнита — конец обмотки провода цилиндрической формы, откуда выходят ЭМ потоки, указывает полюс северный, а обратный конец — южный.

Для распознания полюсов и ориентации ЭМ-линий в катушке с током применяется ППР для соленоида. Если за катушку взяться рукой так, чтобы сжатые пальцы кисти руки совпали по курсу потока электронов в витках, то оттопыренный под прямым углом большой палец укажет путь направленности электромагнитного фона — северный полюс.

Справка! Разнообразные формулировки ПБ, ППР или другие аналогичные правила не являются нужными по своей важности. Всех их непременно знать нет нужды, если знаешь основополагающее правило одного из вариантов. Тем не менее многие из представленных ниже правил удачно приспособлены к специфичным случаям их применения, следовательно, удобны для быстрого понимания направления векторов.

Итоги урока

На данном уроке мы рассмотрели явление возникновения магнитного поля вблизи прямого проводника с током и катушки с током (соленоида). Также были изучены правила нахождения магнитных линий данных полей.

Список литературы

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9. – Дрофа, 2006.
2. Г.Н. Степанова. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 2001.
3. А.Фадеева. Тесты физика (7 – 11 классы). – М., 2002.
4. В. Григорьев, Г. Мякишев Силы в природе. – М.: Наука, 1997.

Домашнее задание

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9: § 44, стр. 149, упр. 35 (1–5) (Источник).
2. Что можно определить, используя правило буравчика?
3. Что можно определить, используя правило правой руки?
4. Определить направление тока по известному направлению магнитных линий (см. Рис. 13). Рис. 13. Иллюстрация к задаче

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
2. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
3. Интернет-портал Festival.1september.ru (Источник).

Правило буравчика для прямого и кругового тока

Правило буравчика для прямого и кругового тока

Если создаваемое в пространстве магнитное поле происходит от прямолинейного проводника с током, то магнитная стрелка в любой точке поля будет устанавливаться по касательной к кругам, центры которых находятся на оси проводника, а плоскости — под прямым углом к проводнику.

В этом случае курс вектора МИ определим с помощью правила правого штопора (винта), т. е. при вращении штопора таким образом, чтобы он поступательно двигался по курсу силы тока в проводе, вращение головки штопора (винта) совпадает с направлением вектора магнитной индукции B.

Из второго рисунка усматривается, что магнитные линии (МЛ) в форме кругов замыкаются вокруг проводника с током. В плоскость кругового проводника МЛ входят с одной стороны, а с другой выходят. МП кругового тока похоже на поле короткого магнита, ось которого совпадает с перпендикуляром к центру плоскости контура.

Направление поля КТ можно определить, пользуясь ПБ. Инструмент нужно установить по оси кругового тока под прямым углом к его плоскости. Вращая рукоятку по направлению тока в контуре, можно понять, какое будет направление у МП.

Связь магнитного поля с правилами

В этой части публикации рассматриваются электрические величины. Поэтому следует напомнить о направлении течения тока в проводке – от «плюса» источника питания к «минусу». От контрольной точки с большим потенциалом (ϕ1=10 B) – к месту измерения с относительно меньшим (ϕ1= 5 B).

Кольцевая проводящая конструкция

На иллюстрации представлена кольцевая конструкция. Для уточнения характеристик системы в соответствии с базовыми правилами винт вкручивают с учетом реального направления силовых линий. Вращение рукоятки соответствует току в проводе, подключенному к источнику питания.

Пояснение правила

В этом примере необходимо выяснить направление вектора (В) магнитной индукции и соответствующую конфигурацию линий силового поля. Для проверки сжимают руку в кулак. Один палец ставят вертикально – известный жест «Класс!». Он будет соответствовать движению тока. Вектор, обозначающий магнитное поле, совпадает с положением четырех сжатых пальцев.

Важно! Нельзя прикасаться к проводнику под напряжением при проведении эксперимента, чтобы исключить поражение электротоком.

Для наглядности опыт можно повторить с железными опилками. Гранулы рассыпают на плоской поверхности. Допустимо использование листа картона, другого материала с нейтральными по отношению к электромагнитным полям свойствами. В центре перпендикулярно устанавливают провод. После подключения к источнику тока можно наблюдать распределение полос, которое соответствует линиям созданного силового поля.

К сведению. По рассмотренной схеме определяют полюса катушки, подключенной к источнику питания. Пользуются стандартным алгоритмом ППР. Отогнутый большой палец будет показывать на северный полюс.

Правило буравчика для момента силы

Для момента силы (МС) ПБ (винта) можно сформулировать следующим образом: если крутить винт (буравчик) в ту сторону, в которую действующие силы пытаются повернуть тело, то винт будет ввинчиваться или отвинчиваться в соответствии с тем, куда будет направлен МС.

Формулировка этого правила применительно к ПР будет выглядеть так: если вообразить, что взятое в правую руку тело пытаемся повернуть в сторону, указываемую четырьмя пальцами, т. е. прилагается сила для разворота тела, то под прямым углом отогнутый большой палец укажет в ту сторону, куда вращающий момент, т. е. МС, будет направлен.

Определение направления МС по правилу ПР возможно при совмещении указательного пальца с радиус-вектором, среднего пальца — с вектором силы, а с кончика большого пальца, поднятого под прямым углом, обозреваются два вектора. В случае если от указательного пальца движение выполняется к среднему против часовой стрелки, то направление МС совпадает с направлением, устанавливаемым большим пальцем. Если движение выполняется по часовой стрелке, то направление МС обратно ему.

Какое правило применить

Слова синонимы: рука, винт, буравчик

Вначале разберем слова-синонимы, многие начали спрашивать себя: если тут повествование должно затрагивать буравчик, почему текст постоянно касается рук. Введем понятие правой тройки, правой системы координат. Итого, 5 слов-синонимов.

Потребовалось выяснить векторное произведение векторов, оказалось: в школе это не проходят. Проясним ситуацию любознательным школьникам.

Декартова система координат

Школьные графики на доске рисуют в декартовой системе координат Х-Y. Горизонтальная ось (положительная часть) направлена вправо – надеемся, вертикальная — указывает вверх. Делаем один шаг, получая правую тройку. Представьте: из начала отсчета в класс смотрит ось Z. Теперь школьники знают определение правой тройки векторов.

В Википедии написано: допустимо брать левые тройки, правые, вычисляя векторное произведение, несогласны. Усманов в этом плане категоричен. С разрешения Александра Евгеньевича приведем точное определение: векторным произведением векторов называют вектор, удовлетворяющий трем условиям:

1. Модуль произведения равен произведению модулей исходных векторов на синус угла меж ними.
2. Вектор результата перпендикулярен исходным (вдвоем образуют плоскость).
3. Тройка векторов (по порядку упоминания контекстом) правая.

Правую тройку знаем. Итак, если ось Х – первый вектор, Y – второй, Z будет результатом. Почему назвали правой тройкой? По-видимому, связано с винтами, буравчиками. Если закручивать воображаемый буравчик по кратчайшей траектории первый вектор-второй вектор, поступательное движение оси режущего инструмента станет происходить в направлении результирующего вектора:

1. Правило буравчика применяется к произведению двух векторов.
2. Правило буравчика качественно указывает направление результирующего вектора этого действия. Количественно длина находится выражением, упомянутым (произведение модулей векторов на синус угла меж ними).

Теперь каждому понятно: сила Лоренца находится согласно правилу буравчика с левосторонней резьбой. Векторы собраны левой тройкой, если взаимно ортогональны (перпендикулярны один другому), образуется левая система координат. На доске ось Z смотрела бы в направлении взгляда (от аудитории за стену).

Простые приемы запоминания правил буравчика

Люди забывают, что силу Лоренца проще определять правилом буравчика с левосторонней резьбой. Желающий понять принцип действия электрического двигателя должен как дважды два щелкать подобные орешки. В зависимости от конструкции число катушек ротора бывает значительным, либо схема вырождается, становясь беличьей клеткой. Ищущим знания помогает правило Лоренца, описывающее магнитное поле, где движутся медные проводники.

Для запоминания представим физику процесса. Допустим, движется электрон в поле. Применяется правило правой руки для нахождения направления действия силы. Доказано: частица несет отрицательный заряд. Направление действия силы на проводник находится правилом левой руки, вспоминаем: физики совершенно с левых ресурсов взяли, что электрический ток течет в направлении противоположном тому, куда направились электроны. И это неправильно. Поэтому приходится применять правило левой руки.

Не всегда следует идти такими дебрями. Казалось бы, правила больше запутывают, не совсем так. Правило правой руки часто применяется для вычисления угловой скорости, которая является геометрическим произведением ускорения на радиус: V = ω х r. Многим поможет визуальная память:

1. Вектор радиуса круговой траектории направлен из центра к окружности.
2. Если вектор ускорения направлен вверх, тело движется против часовой стрелки.

Посмотрите, здесь опять действует правило правой руки: если расположить ладонь так, чтобы вектор ускорения входил перпендикулярно в ладонь, персты вытянуть по направлению радиуса, отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление движения объекта. Достаточно однажды нарисовать на бумаге, запомнив минимум на половину жизни. Картинка действительно простая. Больше на уроке физики не придется ломать голову над простым вопросом — направление вектора углового ускорения.

Аналогичным образом определяется момент силы. Исходит перпендикулярно из оси плеча, совпадает направлением с угловым ускорением на рисунке, описанном выше. Многие спросят: зачем нужно? Почему момент силы не скалярная величина? Зачем направление? В сложных системах непросто проследить взаимодействия. Если много осей, сил, помогает векторное сложение моментов. Можно значительно упростить вычисления.

Правило правой руки для угловой скорости

Формулировка ППР для определения угловой скорости (УС) следующая: если кистью правой руки обхватить ось вращения таким образом, чтобы пальцы руки сходились с направлением тангенциальной скорости (ТС), то отогнутый большой палец укажет сторону вектора УС ω.

Правило правой руки для угловой скорости

Как известно, крутящееся колесо имеет не только УС, но и УУ, и оно не совпадает с направлением линейной ТС, а находится под углом 90 градусов к плоскости колеса.

Такая формулировка создаёт некоторое замешательство среди неосведомлённых: оказывается, УС ω действует вдоль оси крутящегося колеса. При вращении колеса очевидно, что единственной застывшей (неподвижной) точкой считается его центр. В этой связи начало вектора УС принято устанавливать в центре вращающейся окружности.

Вектор УС может меняться лишь по величине. А вот вектор УУ изменяется как по величине, так и по направленности — при ускорении направления векторов УС и УУ совпадают, а при замедлении направленность противоположная.

Правило правой руки для векторного произведения

1-й вариант правила ПР для векторного произведения:

Если векторы изобразить таким образом, чтобы их начальные точки совпадали, и вращать 1-й вектор-сомножитель коротким путём ко 2-му вектору-сомножителю, а 4 пальца правой руки при этом указывают в сторону вращения, то большой палец, оттопыренный под прямым углом, покажет направление вектора-произведения (ВП).

2-й вариант правила ПР для ВП:

Если векторы изобразить так, чтобы совпадали их начала, а большой палец правой руки вытянуть по длине 1-го вектора-сомножителя, указательный — по длине 2-го вектора-сомножителя, то средний приблизительно покажет направление вектора-произведения.

По аналогии с электродинамикой большой палец — это ток (I), указательный — вектор МИ (B), а средний палец — сила (F). Ассоциативно легче будет запомнить по расположению пальцев руки, напоминающему пистолет.

ППР для ВП означает, что когда совпадающие в одной точке векторы пытаться поворачивать по короткому маршруту — первый вектор (большой палец) ко второму (указательный палец), то буравчик будет совершать свой круг в сторону произведения векторов (средний палец).

Общие правила

Существует несколько для вариантов, чтобы указать направление перпендикулярного отрезка к двум исходным векторам и определить ориентацию базиса. В физике есть такие важные направления:

• оборотов тела вокруг центра движения;
• силового вектора магнитного поля в выбранной точке.

Выбор пути аксиальной величины является условным, но он происходит одинаково, поэтому в конечном значении знак остается постоянным. Правила и способы помогают сохранять единый выбор:

• Правило буравчика. Провод помещается в руку, при этом четыре пальца сжимаются в кулак. Главный палец, который располагается вертикально, покажет путь передвижения заряженных электронов (тока). Остальные пальцы, которые ставятся параллельно друг другу, определят направление передвижения электромагнитных линий.
• Правило правой руки. При помещении исследуемого кабеля в руку сжатые пальцы показывают путь линий силового поля, а большой — направление тока. При поступательном перемещении проводника вдоль линий, которые определяют напряженность, их движение направлено в ладонь. Вытянутый перпендикулярно большой палец совпадает с перемещением стержня. Если раскрыть кулак, то прямые пальцы определят курс индукционного тока.
• Правило левой руки. Рука располагается так, чтобы четыре пальца показывали направление движения электронов. Путь индукционных линий направлен в ладонь. Отогнутый палец показывает действие силы на провод. Закон действует для отклонения проводникового стержня, справа и слева от которого располагаются магниты, а он находится под током.

С помощью этих правил выбирается направление векторного произведения и базисов (или одного из двух взаимосвязанных понятий). Прием используется для определения направлений основных величин взамен применения остальных методов, если иметь представление о порядке расположения множителей в соответствующих формулах.

Способы выбора правила сочетаются между собой для вычисления положительного пути произведения векторов и базиса (координатной системы) в пространстве. Базис определяется как скоординированный векторный набор, при этом любой вектор в пространстве представляется в едином варианте линейного соотношения векторов из этого пакета.

Использование правила буравчика из физики приводит к главным выводам:

• движущийся стержень, стационарный магнит, заряженные электроны располагаются в электромагнитном силовом поле;
• на положительные и отрицательные частицы оказывается воздействие электромагнитного фона;
• перемещающийся проводник становится ориентиром для передвижения заряженных электронов, значит силовое поле действует на электрический шунт.

Можно применять специальные правила для определения направляющих характеристик стержня, который движется в электромагнитном поле. Этими формулировками пользуются в различных конкретных ситуациях, но они являются менее общими по значению.

Правая и левая системы координат

Чтобы выяснить направление прямоугольных векторных координат, которые используются для показания отрезков любого курса, исходят из правила для чайников, что абсцисса и ордината направленного луча находятся в исходной точке пространства и совпадают с характеристиками их окончания.

Для случаев, когда координаты не совпадают, нужно сделать:

• перенос луча так, чтобы его начальная точка находилась в начале координатного пространства, таким образом, абсцисса и ордината истока отрезка совпадают с координатами его окончания;
• вычитание из координатных показателей конца луча значение абсциссы и ординаты конца отрезка вместо перемещения начальной точки.

На плоскости прямоугольных координат расположение отрезка совпадает с ортогональной проекцией луча на координатную направляющую ось. Правило буравчика позволяет применять правый базис, но отход от негласного закона оговаривается отдельно. Эти правила условны, но сочетание векторов устанавливается так, что для базиса декартовой прямоугольной плоскости с одинаковым масштабированием по любым осям выполняются следующие законы:

• левые базисы вступают во взаимодействие, если применение правосторонних скоплений неудобно или не представляется возможным;
• зеркальное отображение правого сочетания базиса является копией левого набора векторов.

Правила согласовываются между собой для определения курса векторного произведения и законов построения (выбора) положительного набора векторных отрезков.

Для векторного произведения

Правило буравчика и правой руки для векторного результата гласит, что, если изобразить отрезки так, чтобы совпадали их истоки, и поворачивать первый вектор по наиболее краткому пути по отношению ко второму лучу, то винт будет вращаться в направлении произведения векторов. В качестве винта подразумевается буравчик с правой нарезанной резьбой или с правым винтиком на конце, который встречается часто в списке рабочих инструментов. Этот закон можно переформулировать для стрелки часов, так как правое вращение винта идентично перемещению указателя на циферблате.

Вам это будет интересно Причины и последствия возникновения короткого замыкания

Для векторного произведения через стрелку на циферблате правило применяется, если изобразить отрезки так, чтобы их истоки совпадали. При этом второй луч вращается кратко по траектории ко второму вектору из набора. Направление векторного произведения будет идти к наблюдателю, если он стоит так, что обороты видит по часовому указателю. Буравчик закручивается вглубь часов.

Если при таком положении наблюдателя и однотипном вращении с предыдущим случаем ставятся пальцы кисти справа, как бы сжимая поворачивающийся стержень, то они указывают направление витков. Палец, который располагается под углом 90°, определяет курс векторного произведения.

Если векторы изображаются так, что их истоки находятся в одной точке, палец правой кисти ставится по первому вектору-множителю, а указательный — параллельно второму вектору, то средний приблизительно укажет курс векторного произведения для закона буравчика. Физика в таком случае определяет направление:

• луча электромагнитных линий;
• движения электронов, заряженных отрицательно и положительно;
• силы индукции.

Соотношение отрезков, абсцисс и ординат

Векторное соотношение двух отрезков, которые взаимодействуют в трехмерном пространстве, определяется лучом, расположенным перпендикулярно обоим начальным потокам. Длина произведения векторов равняется значению площади параллелограмма между начальными отрезками. Направление этих двух лучей выбирается так, чтобы три по порядку расположенных вектора из набора и результативных отрезков были правыми. Результат умножения векторов коллинеарного типа приравнивается к нулю, если один из них является отрезком с нулевым значением.

Для нахождения произведения пространственных векторов следует определить ориентацию участка, а именно разобраться в том, какие три отрезка относятся к правому и левому положению. При этом необязательна привязка к координатной системе. При выбранной ориентации пространственного участка результат произведения множительных векторов не зависит от левосторонней или правосторонней системы числовых направляющих.

Формулы отличаются по знаку для нахождения координат произведения лучевых векторов через ординаты и абсциссы начальных отрезков в левой и правой системе прямоугольной структуры. Результат сочетания векторов является антикоммутационным, так как в отличие от скалярного результата в итоге имеет также вектор.

Модуль произведения векторов также является результатом перемножения модулей отрезков, если величины располагаются перпендикулярно друг к другу. Значение модуля стремится к нулю в случае коллинеарности лучей. Произведение векторов определяется в физических и технических дополнениях. Например, импульсный момент и действие Лоренца заносятся в данные по форме результата перемножения элементов из векторного набора.

Для упорядоченного набора лучей

Все разнообразные применяемые правила винта или законы обеих рук в электротехнике и физике не являются обязательными к использованию, если направление характеристик электромагнитного поля можно определить основными правилами одновременно со знанием формул для подсчета векторного соотношения. Малораспространенные правила характерны для особых случаев, когда их использование является удобным для быстрого выявления элементарных показателей системы.

Правила для базиса переписаны в виде:

• Закон для базиса. Если в базисе присутствуют векторы, которые располагаются параллельно осям x, z, y, то большой палец направляется вдоль первого вектора по оси x. Указательный ставится параллельно второму отрезку по оси y, средний располагается вдоль третьего луча по оси z. После расстановки выявляется, что сочетание векторов относится к правостороннему расположению.
• Закон винта (буравчика) для базиса. Если поворачивать винт и векторы так, чтобы первый отрезок стремился ко второму по наименьшему пути, то буравчик направлением кручения покажет курс третьего вектора базиса (когда он правый).

Вам это будет интересно Понятие и нахождение электрической мощности по формулам

Такие манипуляции расширяют возможности определения курса в координатном пространстве. Закон буравчика для базиса может заменить общее правило винта, правой кисти и других. Для его применения у наблюдателя должно быть развито некоторое пространственное воображение, так как требуется мысленно осуществлять поворот нарисованных векторов до того момента, пока они не совпадут с базисом. Набор векторов может при этом располагаться случайно.

Принцип для механического вращения

Отрезок вращения взаимно связывается с вектором угловой скорости поворота и лучом, начинающимся в неподвижной точке, приведенным в искомое положение. Величина определяется как произведение векторов. Угловая скорость представляет собой быстроту оборотов материального элемента вокруг центра.

Угловая скорость выражается:

• для поворотов в двухмерном участке пространства — числом;
• для трехмерного промежутка — псевдовектором, компоненты которого трансформируются при оборачивании координатной системы и меняют знак противоположно правилам поведения вектора при инверсии;
• в вариантах общего положения — кососимметрической величиной, меняющей знак при перемене индексации.

Для определения курса модуля отрезка применяются правило винта и правой кисти, эффективно используемые в случае нахождения векторного произведения. Иногда этого хватает, но при реальном вращении законы формулируются в запоминающемся и простом варианте для нахождения направлений:

• Закон буравчика. Если поворачивать винт в направлении вращения точки, то он завинчивается в сторону курса угловой скорости.
• Закон правой руки. Для этого тело берется правой рукой и поворачивается в направлении четырех пальцев, большой палец, который располагается под углом 90°, покажет путь угловой скорости при таком движении вокруг центра.

Для определения направления момента импульса, который меняется прямо пропорционально угловому вращению (скорости) с коэффициентом положительного импульса, применяются правила для нахождения показателей механического кручения.

Определение силового момента

Крутящий и вращательный момент представляет собой физический формат, равный произведению векторов силы и радиуса, проведенных от центральной оси к точке действия силы. Характеристики показывают силовое действие на твердом предмете.

Правила аналогичны предыдущим случаям, но отличаются незначительными деталями:

• Правило винта. Если поворачивать буравчик по курсу, куда сила вращает тело, то инструмент будет завинчиваться или вывинчиваться по путям направления силового момента.
• Правило правой кисти. Мысленно представляют, что тело в руке, тогда попытка его поворота в направлении вытянутых четырех пальцев (аналогично направляются поворотные усилия) при большом пальце на 90° покажет направление приложения вращательного момента.

Правило буравчика: рисунок (схема)

Рассмотрим наглядные примеры демонстрации правила буравчика на схемах:

Правило буравчика

Использование правила буравчика на схеме

Как определить силу ампера по правилу левой руки

Экспериментальным путём Ампер установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение (однонаправленные токи) либо отталкивание (если направления противоположные). Эти силы взаимодействия определяются параметрами токов (прямо пропорциональная зависимость), и расстоянием между проводниками (обратно пропорциональная зависимость).

Расчёт амперовой силы на единицу длины проводника осуществляется по формуле:

где F – сила, I1, I2 – величина тока в проводниках, а μ – магнитная проницаемость среды, окружающей проводники (см. рис. 1).

Природой взаимодействия является магнитное поле, образованное перемещаемыми по проводникам электрическими зарядами. Под влиянием магнитного поля на электрические заряды возникает сила магнитной индукции, которую обозначают символом B.

Линии, в каждой точке которых касательные к ним совпадают с направлением соответствующих векторов магнитной индукции, получили название линий электромагнитной индукции. Применяя мнемоническое правило буравчика, можно определить ориентацию в пространстве линий магнитной индукции. То есть, при ввинчивании буравчика в сторону, куда направлен вектор электрического тока, движение концов его рукоятки укажет направление векторов индукции.

Из сказанного выше следует, что в проводниках, с одинаково ориентированными токами, направления векторов магнитной индукции совпадают, а значит, векторы сил направлены навстречу друг к другу, что и вызывает притяжение.

Рис. 1. Взаимодействие параллельных проводников

Подобным образом проводники взаимодействуют не только между собой, но и с магнитными полями любой природы. Если такой проводник окажется в магнитном поле, то на элемент, расположенный в зоне действия магнита, будет действовать сила, которую именуют Амперовой:

Для вычисления модуля этой силы пользуются формулой: dF = IBlsinα , где α – угол, образованный векторами индукции и ориентацией тока.

Рассмотренную нами зависимость описывает закон Ампера, формулировка которого понятна из рисунка 2.

Рис. 2. Формулировка закона Ампера

Не трудно сообразить, что когда α = 900, то sinα = 1. В этом случае величина F приобретает максимальное значение: F = B*L*I, где L– длина проводника, оказавшегося под действием магнитного поля.

Таким образом, из закона Ампера вытекает:

• проводник с током реагирует на магнитные поля.
• действующая сила находится в прямо пропорциональной зависимости от параметров тока, величины магнитной индукции и размеров проводника.

Обратите внимание, что на данном рисунке 3 проводник расположен под углом 90º к линиям магнитной индукции, что вызывает максимальное действие магнитных сил.

Рис. 3. Проводник в магнитном поле

Направление силы Ампера

Принимая к сведению то, что сила – векторная величина, определим её направление. Рассмотрим случай, когда проводник с током расположен между двумя полюсами магнитов под прямым углом к линиям магнитной индукции.

Выше мы установили, что согласно закону Ампера, действующая на данный проводник сила, равна: F = B*L*I. Направление вектора рассматриваемой силы определяется по результатам векторного произведения:

Если полюса магнита статичны (неподвижны), то векторное произведение будет зависеть только от параметров электричества, в частности, от того, в какую сторону оно течёт.

Направление силы Ампера определяют по известному правилу левой руки: ладонь располагают навстречу магнитным линиям, а пальцы размещают вдоль проводника, в сторону устремления тока. На ориентацию силы Ампера указывает большой палец, образующий прямой угол с ладонью (см. рис. 4).

Рис. 4. Интерпретация правила

Измените мысленно направление электрического тока, и вы увидите, что направление вектора Амперовой силы изменится на противоположное. Модуль вектора имеет прямо пропорциональную зависимость от всех сомножителей, но на практике эту величину удобно регулировать путём изменения параметров в электрической цепи (например, для регулировки мощности электродвигателя).

Правило левой руки

Если определять физические величины по правилу левой руки, то ее ладонь располагается в таком положении, что четыре пальца направлены вперед, а большой отвернут в бок. Прямые пальцы указывают в сторону направления тока, а оттопыренный большой – направление устремления вектора приложенных усилий. При этом, направление индукции заходит и упирается в ладошку сверху под углом девяносто градусов.

Что определяет закон

По итогам выполнения многочисленных экспериментальных опытов было выведено определение, которое впоследствии стало именоваться правилом левой руки. Оно связало между собой направленности электротока и концентрических линий, а также влияние на проводящий материал силы магнетических полей. Живой пример отражен на картинке, где хорошо видно взаимодействие физических составляющих. Направленность силовых линий и функционирующего магнитного поля не совпадают, их действие направлено в совершенно разные места.

Когда направленность электротока и проводника будет совмещаться с линиями, то силовое влияние на проводящий материал в данном случае отсутствует. В результате, указанный постулат перестанет работать.

Интерпретация для точечного заряда

Заметим, что сформулированное правило справедливо для решения задач по определению ориентации силы Лоренца. Перефразируем правило: если ладонь левой руки поместить в магнитное поле таким образом, чтобы линии индукции перпендикулярно входили в неё, а выпрямленные пальцы направить в сторону движения положительного заряда, тонаправление вектора силы Лоренца совпадёт с отставленным на 90º большим пальцем.

Визуальная интерпретация правила левой руки представлена на рисунке 5. Обратите внимание на то, что алгоритм действий для определения сил Ампера и Лоренца практически одинаков.

Рис. 5. Интерпретация правил левой руки

Примечание: В случае с отрицательным зарядом вытянутые пальцы направляют в сторону, противоположную движению частицы.

Действие магнитного поля на проводник с током и сила Ампера

Поскольку вокруг проводников с током возникает магнитное поле, естественно предположить, что в магнитном поле на них действует сила.

На проводник с током в магнитном поле действует сила.

Проведем исследование с целью определения, от чего зависит модуль и направление этой силы. Для этого используем установку, в которой прямой проводник подвешен в магнитном поле постоянного магнита так, что его можно включать в электрическую цепь, силу тока в которой можно изменять при помощи реостата. Амперметр будет измерять силу тока в цепи.

Замкнув электрическую цепь, заметим, что проводник отклонится от положения равновесия, а динамометр покажет некоторое значение силы. Увеличим силу тока в проводнике в 2 раза и увидим, что сила, действующая на проводник, также увеличится в 2 раза. Любые другие изменения силы тока будут вызывать соответствующие изменения силы. Сопоставление результатов всех измерений позволяет сделать вывод, что сила F, которая действует на проводник с током, пропорциональна силе тока к нем:
F

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.

Сила Ампера пропорциональна силе тока в проводнике.

Pиc. 2.9. Установка для изучения действия магнитного поля на проводник с током

Расположим еще один магнит рядом с первым. Длина проводника, находящегося в магнитном поле, увеличится приблизительно в 2 раза. Значение силы, действующей на проводник, в этом случае также увеличится в 2 раза. Таким образом, сила FΔ, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна длине проводника Δl, который расположен в магнитном поле:

Сила Ампера пропорциональна длине активной части проводника.

Сила увеличится также тогда, когда применим другой, более мощный магнит с большей магнитной индукцией поля.

Это позволит сделать вывод, что сила Ампера FА зависит от магнитной индукции поля:

Опыт позволяет убедиться и в том, что наибольшее значение силы Ампера будет тогда, когда угол между проводником и вектором магнитной индукции будет равен 90°. Если этот угол будет равен нулю, т. е. вектор магнитной индукции будет параллельным проводнику, то сила Ампера также будет равна нулю. Отсюда легко сделать вывод, что сила Ампера зависит от угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Окончательно для расчетов имеем формулу

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (рис. 2.10): если левую руку разместить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре от. ставленных пальца показывали направление тока в проводнике, то отставленный под углом 90″ большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

Pиc. 2.10. При помощи левой pуκu можно определить направление силы Ампера

Если левую руку разместить так. чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре отставленных пальца показывали направление тока в проводнике, то отставленный под углом 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

Взаимодействие проводников с током

Взаимодействие проводников с током объясняется действием силы Ампера (рис. 2.11).

Каждый из проводников имеет свое магнитное поле, которое действует на соседний проводник с током и способствует появлению силы Ампера. Так, проводник AA’ по которому проходит ток I1, имеет магнитное поле, модуль индукции B1 которого, как указывалось ранее, равен

где r – расстояние от проводника до точки наблюдения.

Если проводник CC’ длиной Δl находитсяy на расстоянии r от проводника AA’ и в нем проходит ток I2, то на него действует сила Ампера FА, поскольку он находится в магнитном поле проводника AA’ . Значение этой силы равно

Поскольку проводники параллельны и угол между проводником CC’ и вектором магнитной индукции B1 равен 90°, то sinα = 1.

Подставим в последнюю формулу значение магнитной индукции поля проводника AA’:

Силу взаимодействия двух параллельных проводников с током можно определить, зная только расстояние между ними и силу тока в них.

Как и при любом взаимодействии, такая сила, согласно третьему закону Ньютона, действует на каждый из проводников. Только направления их противоположны.

Таким образом, два параллельных проводника нзнимодей-ствуют между собой благодаря магнитным полям, которые образуются вокруг проводников, по которым проходит электрический ток.

Определить модуль силы Ампера, которая действует на проводник с током длиной 25 см в магнитном поле с индукцией 0,04 Тл, если между вектором магнитной индукции и направлением тока угол 30° сила тока в проводнике 0,25 А.

Ответ: модуль силы равен 1,25 • 10-3 Н.

Как связано магнитное поле с Буравчиком и руками

Рассматривая движение полей токовой и магнитной природы, можно легко проследить взаимную связь правила Буравчика с канонами правой и левой руки. Для более качественного сравнения этих понятий, следует рассмотреть, что они представляют собой по отдельности.

Закон Буравчика точно устанавливает направленность напряженности, вызываемой магнитными полями. При этом само поле должно размещаться в прямом направлении по отношению к проводящему материалу с электротоком.

Для более полного представления берется штопор с правой резьбой и ввинчивается по часовой стрелочке в сторону протекания тока. Направленность магнетических полей соответствует правостороннему движению штопорной рукоятки.

Правило правой руки может рассматриваться в двух вариантах. В одном из них пальцы, согнутые в кулак, охватывают неподвижный токопроводник. Они обозначают, в какую сторону смотрит вектор магнитных линий, который, как и у рукоятки Буравчика, будет по ходу часовой стрелки. Самый крупный палец отступает на 90º и показывает, в какую сторону движется ток.

Если же токопровод движется, то правая рука размещается иным способом. Ладонь устанавливается между северным и южным полюсами так, чтобы она была в перпендикулярности с силовыми линиями, проходящими через нее. Крупный палец фиксируется в вертикальном положении и показывает в сторону направленного движения проводника. Оставшиеся пальцы, протянутые вперед, смотрят в ту же сторону, что и индукционный ток. Эта установка нашла свое применение в расчетах катушечных соленоидов, оказывающих воздействие на физические свойства тока.

Отделяя друг от друга правило правой и левой руки, их физика показывает, что второй вариант, используемый в расчетах, действует по-другому. Левая ладошка размещается в таком положении, чтобы четыре пальца были направлены в сторону тока, продвигающегося по проводнику. Магнитные линии, перемещаясь от одного полюса к другому, заходят в ладошку под 90 градусов. Оттопыренный крупный палец смотрит в ту же сторону, что и сила, воздействующая на токопроводник.

Использование действия силы Ампера

Силу Ампера применяют для преобразования энергии электрического тока в механическую энергию проводника. Такое превращение происходит во многих электротехнических устройствах. Рассмотрим некоторые из них.

Eлектроиэмеритальные приборы магнитоэлектрической системы

Электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы состоит из постоянного магнита и проволочной рамки, расположенной между его полюсами (рис. 2.12). Полюса магнита имеют специальные насадки, создающие однородное магнитное поле, в котором вращение рамки не приводит к изменению угла между магнитной индукцией и проводниками рамки. Этот угол всегда равен 90°.

Pиc. Устройство электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы

C рамкой соединены две спиральные пружины, которые подводят к рамке электрический ток. Во время прохождения электрического тока по витком рамки возникает сила Ампера, пропорциональная силе тока в рамке. Чем больше сила действует на витки рамки, тем больше закручиваются спиральные пружины, которых возникает сила упругости. Когда сила Ампера и сила упругости станут равными, вращение рамки прекратится.

Стрелка, прикрепленная к рамке, показывает угол поворота рамки. Этот угол пропорционален силе тока в рамке.

Электрический двигатель постоянного тока

Электрический двигатель применяют для преобразования энергии электрического тока в механическую энергию вращения вала двигателя. Принцип его действия подобен принципу действия электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы, описанного выше. Только в его конструкции отсутствует пружина, поэтому рамка может поворачиваться на любой угол. Электрический ток к рамке, размещенной на валу и имеющей стальной сердечник, подается через специальные скользящие контакты-щетки.

Рис. Устройство двигателя постоянного тока

При замыкании цепи питания двигателя ток проходит по рамке и она взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита или электромагнита и поворачивается до тех пор, пока ее плоскость не станет параллельной вектору магнит ной индукции. Чтобы она могла нужно сменить направление силы тока в ней, вследствие чего поменяет направлению сила Ампера, действующая на рамку с током в магнитном поле. В двигателе этот процесс осуществляется с помощью двух неподвижных графитометаллических щеток и двух полуколец на валу, к которым подведены концы рамки.

На рисунке показан момент, когда ток в якоре такого направления, что его полюса отталкиваются от одноименных полюсов статора. После поворачивания на некоторый угол якорь окажется в положении, когда разноименные полюса притягиваются. Вследствие инерции якорь проходит это положение равновесия, а благодаря кольцам, которых касаются токоподводящие щетки, направление тока в якоре изменяется па противоположное и вращение якоря продолжается.

Pиc. Схемы, которые объясняют действие коллекторного электродвигателя постоянного тока
В промышленных образцах электродвигателей постоянного тока ротор имеет несколько рамок-обмоток. Поэтому и количество пар скользящих контактов в них больше: оно согласуется с количеством обмоток. В целом такое устройство называют коллектором. В новейших моделях двигателей постоянного тока роль коллектора выполняет специальное устройство с электронными приборами.

Таким образом, действие силы Ампера нашло применение в различных технических устройствах: электроизмерительных приборах, электрических двигателях и т. п.

Полезные сведения и советы

1. Общепринято считать, что направление тока указывает в сторону от плюса к минусу. На самом деле, в проводнике упорядоченное перемещение электронов направлено от негативного полюса к позитивному. Поэтому, если бы перед вами стояла задача вычисления силы Лоренца для отдельного электрона в проводнике, следовало бы учитывать данное обстоятельство.
2. По умолчанию мы рассматриваем винт (буравчик, штопор) с правой резьбой. Однако не следует забывать о существовании винтов с левой резьбой.
3. При использовании правила часовой стрелки мы принимаем условие о том, что стрелки совершают движение слева направо. Известно, что в бывшем СССР производились часы с обратным ходом часового механизма. Возможно, такие модели существуют до сегодняшнего дня.

Советы: если вам необходимо определить пространственное расположение момента силы, под действием которой происходит вращение некоего тела – вращайте винт в ту же сторону. Условное врезание винта укажет на ориентацию вектора момента силы. Скорость вращения тела не влияет на направление вектора.

Полезно знать, что при вращении буравчика по ходу вращения тела, траектория его ввинчивания совпадёт с направлением угловой скорости.

Правило буравчика простым языком

Самая простая техника запоминания — это мнемонические правила. Они помогают понять сложное действие путем простого представления или сравнения. Статья даст подробное описание, что такое правило буравчика, кратко и понятно опишет его основное определение.

Также будет дано описание применения этого правила для обоснования различных физических законов. Дополнительно будет дано описание правила левой руки и двух мнемонических алгоритмов для определения направленности электромагнитной индукции.

Определение

Автором правила буравчика является физик-теоретик Петр Сигизмундович Буравчик. С его помощью было определено направление аксиального вектора с известным базисным вектором. Данное правило используется в случае мнемонического определения с применением правой и левой руки.

Такое правило является мнемоническим алгоритмом для установления электромагнитной индукции, на основе установленного направления движения электрического тока, который является возбудителем магнитных полей.

Более кратко и понятно это правило можно объяснить следующим образом:

1. Буравчик направляется острием вниз и вкручивается по часовой стрелке.
2. Его острие имитирует вектор направленности электрического тока.
3. В момент ввинчивания ориентация линий магнитной индукции совпадает с направлением движения рукоятки буравчика.

Общепринятым правилом считается направление движения витка в правую сторону. Принимая этот факт, можно сделать вывод: при движении тока по кратчайшему пути в одном направлении, а именно от положительного значения к отрицательному, линии магнитной индукции будут направлены в правую сторону. Условие актуально для прямого проводника.

Правило буравчика имеет две основные разновидности:

1. Правило правой руки.
2. Правило левой руки.

Далее будет дано объяснение и конкретный пример для более простого понимания.

Правая рука

Правило правой руки используется для мнемонического определения направленности движения электромагнитной индукции. Формулировка у этого алгоритма следующая: необходимо сжать ладонь в кулак и поднять вверх большой палец. В этом жесте палец имитирует электрический проводник и направленность движения электрического тока. А 4 сжатых пальца указывают на направление линий магнитной индукции.

В физике принято считать эталоном именно буравчик. Для более легкого понимания этот инструмент можно представить в виде винта, шурупа с правосторонней резьбой или сверла.

Правило буравчика не окончательное определение. Оно может трактоваться совсем по-разному, когда требуется определить угловую скорость, магнитную индукцию, механическое вращение и момент импульса.

Вектор произведения

Буравчик может помочь в следующем вопросе – определение векторного произведения. Трактуется в этом случае такое правило следующим образом:

1. Два вектора имеют общую точку отсчета, но различное направление.
2. 1-й вектор сомножитель необходимо вращать по самому короткому пути до соотношения со 2-м вектором сомножителем.
3. Во время такого вращения винт будет вращаться в сторону векторного произведения.

Это правило так же учитывает правостороннюю направленность резьбы буравчика. Также это правило применимо к направленности по часовой стрелке. Если вращать вектор сомножитель по часовой стрелке до того момента, пока он и второй вектор сомножитель не будут совмещены, то направление движения будет зависеть от того, кто вращает данный вектор. Так же вращение будет осуществляться внутрь плоскости (часов).

Для визуализации необходимо раздвинуть на правой руке большой, средний и указательный пальцы. Когда данное правило применяется в электродинамике, то можно получить следующее:

При смещении всех трех пальцев получаем движение по часовой стрелке, а также сумму произведений всех векторов.

Базис

Базис — несколько векторов, расположенных в пространстве. При этом вектора базиса представляют собой упорядоченный набор. При таком условии любой из векторов может быть один раз представлен в виде линейной комбинации всех векторов из этого набора. Мнемонический алгоритм базиса следующий: буравчик закручивается в правую сторону, при этом базис X движется по короткому пути к базису Y, а значит по направлению к базису Z.

Для правила правой руки это будет выглядеть так:

1. Средний палец является базисом X. Он движется к указательному пальцу или базису Y.
2. При таком движении направление является правосторонним, а значит направлено в сторону базиса Z.

Для базисов также можно использовать правило часового циферблата, но только с использованием трех стрелок и при направленности вращения в правую сторону. Левая направленность учитывается только при конкретно поставленном условии.

Соленоид

Правило правой руки также позволяет определить, какое направление имеет магнитное поле в соленоидах и катушках индуктивности. Катушки также состоят из провода, но отличие заключается в том, что этот провод смотан в спираль, а значит не имеет прямой направленности. Так же при наличии магнитного сердечника, который взаимодействует с током, значение силы магнитного поля значительно увеличивается. Для того чтобы определить направленность линий магнитного поля в соленоиде, необходимо:

1. Провод в катушке имеет значение «I» и является проводником электрического тока.
2. Ток течет по катушке от большего потенциала к меньшему, а значит от «+» к «−». В этом случае катушка является вектором «В».
3. Берем катушку правой рукой и вытягиваем большой палец вдоль самого элемента.

Данное правило трактуется следующим образом: в катушке имеется вектор магнитной индукции «B», направление которого совпадает с направлением большого пальца. 4 удерживающих катушку пальца указывают на направление протекания электрического тока. Данное правило так же основано на правостороннем закручивании буравчика. Такая направленность может использоваться при выполнении различных экспериментов, когда не требуется расчет и использованием левосторонней направленности, которую учитывают предварительно.

Правило для угловой скорости

Принцип правила правой руки можно применить, если требуется определить угловую скорость вращающегося объекта. Для начала необходимо учесть:

1. Вектор скорости «v».
2. Вектор угловой скорости «ω».
3. Вектор, который проводят из неподвижной точки в данную «r».

Все эти параметры связаны между собой векторным произведением. Формула, которой мы пользуемся для этого произведения будет следующей:

Формулировка угловой скорости, при использовании правила буравчика звучит так. Если вращать буравчик в ту сторону, куда вращается тело, то направление завинчивания покажет направление угловой скорости данного тела. В случае правого вращения буравчика угловая скорость будет направлена в правую сторону и наоборот.

С помощью правила правой руки эта формулировка трактуется более просто: если зажать в правую руку вращающееся тело, то большой палец укажет вектор направления угловой скорости, а 4 остальных пальца укажут на направление вращения.

Момент силы

Правило буравчика применимо для определения момента силы. Расчет момента силы производится по следующей формуле:

В данном выражении используются следующие величины:

• М — момент силы;
• ri — вектор или радиус приложенный к точке i.
• Fi — сила приложенная к точке i.

Правило для буравчика применяемое к моменту силы трактуется так: если буравчик вкручивается по направлению, в котором силы пытаются провернуть тело, он будет вкручиваться именно по направлению момента действующих сил. Например, при завинчивании шурупа, он будет вкручиваться по направлению вращения рукоятки отвертки, так как это направление создается силой движения руки человека.

Момент силы можно определить визуально. Применяемый в таком случае вариант правила правой руки будет следующим: если взять в правую руку предмет, сдавить его и выставить вперед большой палец, то 4 пальца укажут на направление кругового движения тела, а большой палец на направление момента силы.

Левая рука

Правило левой руки сильно отличается от правила буравчика. При помощи его определяют силу, действующую на проводник. Данный принцип применяет физика для следующих физических законов:

• Закон Ампера.
• Сила Лоренца.

Далее будет дана трактовка двух правил левой руки.

Закон Ампера

Принцип левой руки для закона Ампера гласит: если проводник находится между двумя магнитами, на него действует электромагнитная сила, выталкивающая заряд или смещающая проводник с заданного положения.

При помощи левой руки можно проще описать это правило: ладонь принимает горизонтальное положение. В этот момент магнитная индукция будет перпендикулярна ладони. В таком положении отогнутый на 900 большой палец показывает направленность действующей силы, а остальные пальцы показывают направление электротока в проводнике.

При расчете силы Ампера используем следующую формулу:

В этой формуле используются следующие величины:

• Fa — сила Ампера;
• B — магнитная индукция;
• I — сила тока;
• ΔL — длина проводника;
• a — величина угла между направлениями электротока и магнитной индукции.

Данный закон применяется при конструировании электрических двигателей и генераторов переменного тока.

Сила Лоренца

Правило левой руки позволяет отобразить направление силы Лоренца. Данный параметр определяет величину воздействия магнитного поля на заряженные частицы в проводнике. С помощью простых слов данное физическое явление можно трактовать следующим образом: на движущиеся заряженные частицы оказывает воздействие магнитная индукция. Направление действия этих сил строго перпендикулярно направлению движения частиц.

Используя левую руку можно визуально определить направленность воздействия линий магнитной индукции. Делается это следующим образом:

1. Левая ладонь выпрямлена, при этом большой палец выставлен под углом 90 градусов. Ладонь представляет собой проводник, на который перпендикулярно воздействуют силы электромагнитной индукции (вектор B).
2. Большой палец указывает на направление силы Лоренца (вектор Fл).
3. 4 выпрямленных пальца указывают на направление положительного заряда. При условии, что по проводнику течет отрицательный заряд, направленность движения будет в сторону ладони, а не от нее. При расчетах это условие является очень важным.

Сила Лоренца рассчитывается по следующей формуле:

• Fл — сила Лоренца;
• q — величина заряда;
• v — скорость движения заряда;
• B — магнитная индукция;
• a — величина угла между направлением движения частиц и магнитной индукцией.

При расчете учитывается параметр частиц, которые протекают по проводнику. Также, учитывается направление движения частиц.

Заключение

Буравчик и его правило вращения помогают визуально представить многие физические законы. Для этого правила основополагающим является направление движения, на которое указывает большой палец. Эти простые правила можно легко использовать в повседневной жизни. Они облегчат понимание физических законов школьникам, помогут решить многие задачи.

Правило буравчика простым языком

Во многих задачах, связанных с расчётами электрических величин, важно знать направление линий магнитной индукции относительно электрического тока и наоборот. Сложные расчёты параметров магнитных полей в различных системах также невозможно выполнить без учёта направления векторов.

Для определения ориентации сил и полей на практике часто используют мнемонические правила, одним из которых является правило буравчика, с успехом применяемое в электротехнике.

Определение

В узком понимании, правило буравчика – это мнемонический алгоритм, применяемый для определения пространственного направления магнитной индукции, в зависимости от ориентации электрического тока, возбуждающего магнитное поле.

Данное правило можно сформулировать следующим образом: Если острие буравчика (штопора, винта) направить вдоль вектора тока, то ориентация линий магнитной индукции совпадёт с направлением, в сторону которого вращается ручка буравчика в традиционном исполнении этого инструмента (с правым винтом) [ 1 ] (рис. 1.)

Рис. 1. Правило буравчика для прямого проводника

На рисунке 1 показана схема для простейшего случая: по прямому участку проводника, в сторону от наблюдателя протекает электрический ток (стрелка синего цвета). Условный штопор направлен своим острым концом по вдоль линии по направлению тока. Если представить поступательное движение буравчика вдоль проводника, то направление линий, описываемых рукояткой штопора, совпадут с ориентацией магнитных линий электрического поля.

Главное правило

Рассмотренный нами пример является частным случаем алгоритма буравчика. Существует несколько вариантов формулировок правила, применяемых в различных ситуациях.

Общая, или главная формулировка, позволяет распространить данное правило на все случаи. Это вариант мнемонического правила, используемый для определения ориентации результирующей векторного произведения, называемого аксиальным вектором, а также для выбора связанного с этими векторами правого базиса (трёхмерной системы координат), что позволяет определить знак аксиального вектора.

Примечание: правый базис – условное соглашение, согласно которому выбирается декартовая система координат (положительный базис). Иногда полезно пользоваться зеркальным отражением декартовой системы (левый или отрицательный базис).

Главное правило позволяет определить направление в пространстве аксиальных векторов, важных для вычислений:

• угловой скорости;
• параметров индукционного тока;
• магнитной индукции.

Хотя ориентация аксиального вектора является условной, она важна для расчётов: придерживаясь принятого алгоритма выбора, легче производить вычисления, без риска перепутать знаки.

Во многих случаях применяют специальные формулировки, хорошо описывающие частные случаи в конкретной ситуации.

Правило правой руки

В электротехнике очень часто применяют интерпретацию буравчика для правой руки.

Действия можно сформулировать так: «Если отведённый в сторону большой палец правой руки расположить вдоль проводника так, чтобы он совпал с направлением электрического тока, то остальные пальцы будут указывать направление образованных электрическим полем магнитных силовых линий. (см. схему на рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация правила правой руки

Сформулированные выше алгоритмы применяются и для соленоидов. Но разница в том, что в случае с соленоидом, рукоятку буравчика вращают так, чтобы это движение совпадало с направлением токов в витках, а продвижение винта буравчика указывает на ориентацию вектора магнитных линий в соленоиде.

При использовании правой руки, пальцами охватывают (условно) катушку так, чтобы направление тока в витках совпадало с пространственным расположением пальцев. Тогда большой палец укажет на ориентацию вектора электромагнитных линий внутри катушки. На рисунке 3 изображены схемы, объясняющие алгоритмы определения направлений векторов для соленоидов.

Рис. 3. Иллюстрация правила правой руки для катушки

Не трудно догадаться, что данные правила можно применять с целью определения направления тока. Например, если с помощью магнитной стрелки определить устремление линий магнитной индукции, то путём применения правила буравчика (как вариант его формулировки для правой руки), легко определяется, в какую сторону течёт ток.

Специальные правила

Рассмотрим варианты главного правила буравчика для частных случаев. Применение таких правил часто упрощает процесс вычислений.

Для векторного произведения

Расположите векторы так, чтобы их начальные точки совпадали. Для этой ситуации правило буравчика звучит так:

Если один из векторов сомножителей вращать кратчайшим способом до совпадения направлений со вторым вектором, то буравчик, вращающийся подобным образом, будет завинчиваться в сторону, куда указывает векторное произведение.

По циферблату часов

При расположении векторов способом совпадения их начальных точек можно определить направление вектора-произведения с помощью часовой стрелки. Для этого необходимо мысленно двигать кратчайшим путём один из векторов-сомножителей в сторону другого вектора. Тогда, если смотреть со стороны вращения этого вектора по часовой стрелке, то аксиальный вектор будет направлен вглубь циферблата.

Правила правой руки, для произведения векторов

Существует два варианта правила.

Первый вариант:

Если согнутые пальцы правой руки направить в сторону кратчайшего пути для совмещения вектора-сомножителя с другим сомножителем (векторы выходят из одной точки), то отведенный в сторону большой палец укажет направление аксиального вектора.

Второй вариант:

Если правую ладонь расположить таким образом, чтобы получилось совпадение большого пальца с первым вектором-сомножителем, а указательного – со вторым, то отведённый в сторону средний палец совпадёт с направлением вектора произведения.

Для базисов

Перечисленные выше правила применяются также для базисов.

Например, правило буравчика для правого базиса можно записать так:

При вращении ручки буравчика и векторов таким образом, чтобы первый базисный вектор по кратчайшему пути стремился ко второму, то штопор будет завинчиваться в сторону третьего базисного вектора.

Указанные правила универсальны. Их можно переписать для механики с целью определения векторов:

• механического вращения (определение угловой скорости);
• момента приложенных сил;
• момента импульса.

Правила буравчика применяются также для уравнений Максвелла, что усиливает их универсальность.

Правило левой руки

В электротехнике довольно часто возникают вопросы, связанные с определением силы Ампера. Для решения задач подобного рода применяется алгоритм, называемый правилом левой руки (иллюстрация на рис. 4) – мнемоническое правило, описывающее способ определения направленности Амперовой силы, выталкивающей точечный заряд либо проводник, по которому протекает электроток.

Алгоритм применения левой руки состоит в следующем: если левую ладонь будут перпендикулярно пронизывать силовые линии, а пальцы расположатся по направлению тока, то действующие на проводник силы будут устремляться в сторону, куда указывает оттопыренный большой палец.

Интерпретация для точечного заряда

Заметим, что сформулированное правило справедливо для решения задач по определению ориентации силы Лоренца. Перефразируем правило: если ладонь левой руки поместить в магнитное поле таким образом, чтобы линии индукции перпендикулярно входили в неё, а выпрямленные пальцы направить в сторону движения положительного заряда, тонаправление вектора силы Лоренца совпадёт с отставленным на 90º большим пальцем.

Визуальная интерпретация правила левой руки представлена на рисунке 5. Обратите внимание на то, что алгоритм действий для определения сил Ампера и Лоренца практически одинаков.

Рис. 5. Интерпретация правил левой руки

Примечание: В случае с отрицательным зарядом вытянутые пальцы направляют в сторону, противоположную движению частицы.

Полезные сведения и советы

1. Общепринято считать, что направление тока указывает в сторону от плюса к минусу. На самом деле, в проводнике упорядоченное перемещение электронов направлено от негативного полюса к позитивному. Поэтому, если бы перед вами стояла задача вычисления силы Лоренца для отдельного электрона в проводнике, следовало бы учитывать данное обстоятельство.
2. По умолчанию мы рассматриваем винт (буравчик, штопор) с правой резьбой. Однако не следует забывать о существовании винтов с левой резьбой.
3. При использовании правила часовой стрелки мы принимаем условие о том, что стрелки совершают движение слева направо. Известно, что в бывшем СССР производились часы с обратным ходом часового механизма. Возможно, такие модели существуют до сегодняшнего дня.

Советы: если вам необходимо определить пространственное расположение момента силы, под действием которой происходит вращение некоего тела – вращайте винт в ту же сторону. Условное врезание винта укажет на ориентацию вектора момента силы. Скорость вращения тела не влияет на направление вектора.

Полезно знать, что при вращении буравчика по ходу вращения тела, траектория его ввинчивания совпадёт с направлением угловой скорости.