Магнитное поле, как мы выяснили, — это особый вид материи, существующий независимо от нашего сознания. Магнитное поле можно изобразить с помощью линий магнитного поля. А можно ли обнаружить магнитное поле?
Соберём электрическую цепь. Пока ключ не замкнут, ничего с проводником не происходит. Если замкнуть ключ, проводник начнёт двигаться внутрь магнита. Если поменять полюса источника тока, проводник будет двигаться в противоположную сторону.
Рис. (1). Проводник без тока в магнитном поле
Рис. (2). Проводник с током в магнитном поле
Опыт демонстрирует воздействие магнитного поля на часть проводника, помещённого в поле подковообразного магнита.
-
При отсутствии электрического тока в проводнике он висит неподвижно. Магнитное поле не воздействует на проводник.
-
При замыкании ключа ток идёт от положительного полюса источника напряжения по красному проводу к проводнику. Поле постоянного магнита притягивает проводник. Проводник изменил своё положение.
Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на проводник с током.
Движение проводника вызвано действием на него магнитного поля со стороны дугового магнита. Если поменять местами полюсы магнита, проводник меняет направление движения на противоположное.
Экспериментальные факты по обнаружению магнитного поля являются основанием для формулировки зависимости между физическими величинами, которые являются характеристиками электрического и магнитного полей.
На проводник с током, находящимся в магнитном поле, действует сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки.
Правило левой руки для проводника с током
Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца указывали направление тока, то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера.
Рис. (3). Правило левой руки
На направление тока указывает направление движения положительно заряженных частиц. На заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца также определяется по правилу левой руки.
Правило левой руки для заряженной частицы, движущейся в магнитном поле
Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы.
Если заряженная частица движется вдоль линии магнитного поля, то сила со стороны магнитного поля не действует.
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.)
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).
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.
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.
Примечание: В случае с отрицательным зарядом вытянутые пальцы направляют в сторону, противоположную движению частицы.
Полезные сведения и советы
- 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.
- По умолчанию мы рассматриваем винт (буравчик, штопор) с правой резьбой. Однако не следует забывать о существовании винтов с левой резьбой.
- 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.
Видео по теме
Определение и формула
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~I.
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:
F~ΔI.
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:
F~B.
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.
Пример №2
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
- 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.
- По умолчанию мы рассматриваем винт (буравчик, штопор) с правой резьбой. Однако не следует забывать о существовании винтов с левой резьбой.
- 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.
Предыдущая
ТеорияЗакон сохранения электрического заряда
Следующая
ТеорияПочему в странах разные розетки?
В физике и электротехнике приходится часто решать задачи, где требуется рассчитать электрические показатели магнитной индуктивности, по отношению к электротоку и наоборот. Поля и силы сориентированы определенным образом, поэтому и сформировались правило Буравчика и правило левой руки. С их участием возможно установить курс векторов, влияние магнитных полей и прочие данные, используемые в расчетах.
История открытия правила Буравчика
В 19-м веке была обнаружена связь между магнетизмом и электричеством. В это же время было сформировано понятие магнитного поля. Впервые оно было обнаружено датским ученым-физиком Х. Эрстедом.
После этого открытия, ученые ряда стран провели многочисленные эксперименты, которые установили широкий спектр действия поля, нередко выходящий за рамки исследуемого объекта. Было открыто и его круговое вращение.
В дальнейшем, исследования перешли в сферу изучения вопроса – в каких направлениях действует магнетизм. Выяснилось, что его влияние может быть разносторонним, и меняется от того, каким образом располагаются полюса и силы, оказывающие влияние на проводник.
По результатам экспериментов было открыто и оформлено правило левой и правой руки. Первым каноном выявляется направленность сил, влияющих на проводящий материал, а вторым – направленность магнитных линий.
С целью полного отображения было принято специальное определение и другие обозначения. Отображение поля выполняется в виде концентрических линий. Чем чаще они расположены относительно друг друга, тем выше сила действующего поля. Каждая из них получается замкнутой и не пересекается с соседними. Если узнать их направленность, можно установить, куда смотрит вектор магнитной индукции. Возможно и обратное действие, поскольку направление вектора будет соприкасаться с каждой точкой этих линий.
Проведенные опыты позволили сформулировать и закон Буравчика. Когда он вкручивается, резьба будет двигаться по часовой стрелке, то есть вправо. В таком же направлении осуществляется движение силовых магнитных линий. Правило левой руки дополняет правило Буравчика, устанавливая направленность силы, действующей на электрический провод.
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.
Сила Лоренца применение и формула
Действие электромагнитных полей порождает возникновение точечной заряженной частицы, на который воздействуют силы электрического и магнитного характера. В скомбинированном виде они получили наименование силы Лоренца.
Таким образом, сила Лоренца воздействует на любую частицу с зарядом, падающую с определенной быстротой в магнетическом поле. Степень влияния связана с электрическим зарядом частицы (q), показателем магнитной индукции (В) и быстротой падения частицы (V).
На основании полученных данных голландским ученым Хендриком Лоренцем была выведена формула: FL = |q|x V x B x sinα. Все условные обозначения приведены на рисунке.
В практической деятельности сила Лоренца получила применение в следующих областях:
- Кинескопы – электронно-лучевые или телевизионные трубки. В этих устройствах электроны, летящие в направлении экрана, отклоняются магнитным полем, которое создают специальные катушки.
- Масс-спектрографы. Определяют массы заряженных частиц, путем разделения их по удельным зарядам. Вакуумная камера помещается в магнитном поле. Заряженный частицы ускоряясь, двигаются по дуге и оставляют след на фотопластинке. Па радиусу траектории вначале определяется удельный заряд, на основании которого вычисляется и масса частицы.
- Циклотрон. Ускоряет заряженные частицы. Ускорение происходит под действием силы Лоренца, после чего траектория частиц сохраняется за счет магнитного поля. Прибор давно начали использовать в медицинских исследованиях с применением радионуклидных фармацевтических препаратов.
- Магнетрон. Электронная лампа высокой мощности для генерации микроволн, возникающих при взаимодействии электронного потока и магнитного поля. Используется с современных радиолокационных устройствах.
Сила ампера — формула
Сила Ампера непосредственно воздействует на проводник с током, расположенный внутри поля. Совсем кратко она выражается представленной формулой:
F = I x B x L x sinα, где F является силой Ампера, I – сила тока в проводнике, L – отрезок проводника, находящийся под действием магнитного поля, α – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.
Максимальное значение сила Ампера принимает, когда угол α становится равным 90 градусов. Единицей измерения служит ньютон (Н).
Определение направления силы Ампера выполняется с помощью правила левой руки. Ладонь смотрит вверх, четыре пальца направлены в сторону вектора движения тока. Вектор магнитной индукции перпендикулярен ладони и входит в нее. Направление силы Ампера совпадает с большим пальцем, отогнутым в сторону.
Направлением электрического тока условно считается движение от заряда с плюсом к заряду с минусом.
Примеры задач в физике электротехнике
В качестве примеров будут рассмотрены задачи, связанные с силой Ампера. Примеры решений специфические, но сам метод решения довольно простой.
Задача № 1
Исходные данные для выполнения: длина проводника – 20 см, сила тока, протекающая в нем – 300 мА, угол между проводником и вектором магнитной индукции – 45о. Величина магнитной индукции – 0,5 Тл.
Требуется найти силу однородного магнитного поля, воздействующую на проводник.
Решение: необходимо применять основную формулу – Fa = B x I x L x sinα. Подставив нужные значения, получаем: Fa = 0,5 Тл х 0,3А х 0,2 м х (√2/2) = 0,03 Н.
Задача № 2
Исходные данные для решения: Проводник помещен в магнитное поле, индукция которого составляет 10 Тл. Сила действия магнитного поля перпендикулярна проводнику и составляет 20 Н. Сила тока, протекающего в проводнике – 5А.
Требуется вычислить длину отрезка проводника.
Решение: за основу берется формула Fa = B x I x L x sinα. Длина проводника определяется следующим образом: L = Fa/(B x I x sinα). Поскольку sinα = 1, получаем: L = Fa/(B x I). Остается подставить нужные значения и получить результат: L = 20Н/(10Тл х 5А) = 0,4 м.
Существуют аналогичные задачи с использованием силы Лоренца. Наглядно рассматрим два примера, которые решаются просто и понятно.
Задача № 3
Исходные данные для выполнения: в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл передвигается заряд величиной 0,005 Кл со скоростью 200 м/с. Угол между направлением заряда и вектором магнитной индукции – 45º.
Определяется: величина силы, воздействующей на заряд.
Решение: используется основная формула FL = |q| x V x B x sinα. Подставляя исходные данные, получаем следующее: FL = 0,005Кл х 200м/с х 0,3Тл х sin 45о = (0,3 х √2)/2 = 0,21Н.
Задача № 4
Исходные данные для решения: заряженная частица величиной 0,5 мКл движется в магнитном поле с индукцией 2 Тл. Сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля – 32 Н. Направление движения частицы и вектор магнитного поля расположены под углом 90º.
Требуется определить: скорость движения заряженной частицы.
Решение: изначально берется формула FL = |q| x V x B x sinα. Поскольку sinα = 1, она приобретает следующий вид: FL = |q| x V x B. Для определения скорости нужно: V = FL/(|q| x B). Остается вставить исходные данные: V = 32Н/(5*10-4Кл х 2Тл) = 32000 м/с.
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.
Магнитное поле в соленоиде
Законы правой и левой руки в физике, разобранные ранее, на сто процентов действуют лишь для прямолинейных токопроводников. Однако, довольно часто провода используются в виде катушек или соленоидов, где все процессы происходят по-другому.
Известно, что под влиянием электротока, проходящего внутри провода, образуется круговое магнитное поле. В катушечных соленоидах провод сворачивается в виде колец и многократно оборачивается вокруг сердечника. Здесь правило Буравчика в чистом виде уже не функционирует, поскольку происходит существенное усиление магнетических полей. Но, его условные линии направлены так же, как и у постоянных магнитов, поэтому в таком случае возможно применение правила правой руки.
Сначала соленоид охватывается так, чтобы самый крупный палец смотрел в направлении северного магнитного полюса. Он же отображает направление вектора магнитной индукции. Остальные четыре пальчика располагаются в направлении протекания тока.
Возможно частично применить и правило штопора. Его следует установить и закручивать в направлении тока, тогда острие станет перемещаться в направлении электромагнитной индукции. Эта установка действует не только для всей катушки, но и для одиночного витка.
Определение направления тока Буравчиком
Определить, куда движется ток, возможно посредством рук и Буравчика. В последнем случае должно быть известно, куда направляется магнитный поток – вектор В. Зная это направления, остается мысленно крутить штопор по часовой стрелке. Он будет постепенно передвигаться вперед, в ту же сторону, что и электроток. Эта формулировка действует для неподвижного прямого токопроводника.
Что связано с левой рукой
В целях правильного использования физических понятий, нельзя смешивать друг с другом Буравчик и левую руку. В одном случае определяются направленности магнетических линий и электротока, а второй вариант заключается в установлении силы, оказывающей влияние на проводящий материал.
В отдельных случаях не все точно знают, как пользоваться «левой рукой». Но что бы ни говорили, все очень просто. Выпрямленная рука размещается ладонью вверх между двумя полюсами вдоль токопроводника. Магнитные линии условно пронзают открытую ладошку. Все пальцы направлены по ходу течения тока, а оттопыренный самый крупный палец совпадает с направлением вектора силы, которая получила название силы Ампера.
С помощью левой руки можно определить не только силу Ампера, но и силу Лоренца. В последнем случае – это способ, применяемый к отдельным заряженным частицам. Его смысл состоит в расположении пальцев левой ладони в направлении движения заряда. Когда вектор В будет проходить сквозь ладонь, большой палец будет смотреть в сторону действия силы Ампера. При наличии отрицательного заряда, пальцы должны располагаться в противоположном направлении.
Выводы
Научиться пользоваться всеми способами совсем несложно, главное – знать объяснение физических принципов каждого из них. Мысленное использование Буравчика приносить в процессе обучения определенное облегчение в практическом выполнении расчетов и других действий. Все эти правила успешно применяются специалистами во многих областях электротехники.
Видеоурок
Правило левой руки
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 257.
Обновлено 15 Июля, 2021
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 257.
Обновлено 15 Июля, 2021
Из курса физики известно, что действие магнитного поля на движущиеся заряды и на проводник с током заключается в появлении силы Лоренца или Ампера. В отличие от большинства других сил, направление действия этих сил не совпадает с направлением действия поля, породившего их. Поэтому было сформулировано специальное мнемоническое правило — правило левой руки. Кратко рассмотрим порядок применения этого правила, разберём характерные примеры.
Силы Лоренца и Ампера
Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами. И в свою очередь электрические заряды, движущиеся в магнитном поле, испытывают силовое воздействие с его стороны.
Сила, действующая на движущийся заряд, называется силой Лоренца.
Модуль силы Лоренца равен:
$$F_L = qvB sin alpha$$
где:
- $F_L$ — величина силы Лоренца;
- $q$ — величина движущегося заряда;
- $v$ — скорость движения заряда;
- $B$ — индукция магнитного поля;
- $alpha$ — угол между векторами скорости и индукции.
Поскольку электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то в случае, когда он протекает через магнитное поле, силы Лоренца, действующие на отдельные носители, складываются в одну общую силу, которая называется силой Ампера.
Модуль силы Ампера определяется с помощью формулы, похожей на формулу силы Лоренца:
$$F_A= I Δl B sin alpha$$
где:
- $F_ A$ — величина силы Ампера;
- $I$ — сила тока в проводнике;
- $Δl$ — длина проводника;
- $B$ — индукция магнитного поля;
- $alpha$ — угол между векторами тока и индукции.
Схожесть формул объясняется тем, что сила Ампера является макроскопическим проявлением силы Лоренца. Направление действия этих сил совпадает.
Направление сил Лоренца и Ампера
Заметим, что в обоих случаях сила возникает только тогда, когда вектор скорости движения зарядов и вектор магнитной индукции не параллельны.
Из геометрии известно, что два непараллельных вектора, отложенные из одной точки, однозначно определяют плоскость. Особенность сил Лоренца и Ампера в том, что эти силы всегда направлены перпендикулярно этой плоскости.
Данный факт запомнить несложно. Проблема состоит в том, что перпендикуляр к плоскости может быть отложен в двух направлениях. Как определить нужное направление? Обратимся к правилу левой руки.
Правило левой руки
Правило левой руки звучит так.
Если расположить левую руку так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению движения положительного заряда (или по направлению тока), а линии магнитной индукции входили в ладонь, «прокалывая» её, то большой палец покажет направление силы Лоренца (или силы Ампера).
Как пользоваться этим правилом? Разберём примеры.
Допустим, ток по проводнику течёт слева направо. А линии магнитной индукции направлены вверх.
Направляем левую руку четырьмя пальцами вправо. Ладонь должна «смотреть» вниз, так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь и «прокалывали» её. Отставленный большой палец покажет направление назад.
Это и будет направление силы Ампера в данном случае. Действительно, плоскость, образованная векторами тока и магнитной индукции, — вертикальна, и сила Ампера перпендикулярна ей.
Другой пример. Электрон движется назад, «на наблюдателя», между полюсами магнита, причём северный находится справа.
Линии магнитной индукции направлены справа налево, следовательно, ладонь левой руки должна быть направлена вправо. Электрон заряжен отрицательно, то есть четыре пальца руки должны быть направлены против его движения — вперёд. Отставленный большой палец будет направлен вверх. Это и будет направление силы Лоренца в данном случае.
Что мы узнали?
Правило левой руки — это правило, предназначенное для определения направления силы Лоренца или силы Ампера. По этому правилу, если четыре пальца левой руки будут указывать направление движения положительного заряда (направление тока), а линии магнитной индукции будут входить в ладонь, «прокалывая» её, то отставленный большой палец покажет направление силы Лоренца или Ампера.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 257.
А какая ваша оценка?