Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике

Для запоминания различных правил и законов в естественных и точных науках придумано множество мнемонических методов. Среди наиболее известных приемов– закон правой руки или тождественное ему правило буравчика.

Общая формулировка правила буравчика

Изначально правило правой руки появилось в математике. Оно применяется, чтобы определить направление результата векторного произведения двух векторов. В отличие от скалярного, результатом которого является число, векторное произведение в итоге дает вектор, который имеет не только величину, но и направление.

Пусть имеется два вектора Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике, для которых надо найти векторное произведение Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике. Длина вектора равна произведению длин каждого на синус между ними. А направление выбирается из двух условий:

  • итоговый вектор ортогонален обоим исходным;
  • три вектора образуют правую тройку – если смотреть с конца вектора Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике, то кратчайший поворот от Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике должен происходить по часовой стрелке.
Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Правая и левая тройка векторов

Это сложно запомнить, и не всегда просто представить абстрактно, поэтому приходится прибегать к простому мнемоническому приему. Если на правой руке отогнуть большой палец, а указательный и безымянный расположить в одной плоскости по направлению перемножаемых векторов (исходящих из одной точки) так, чтобы указательный палец соответствовал первому вектору, а безымянный – второму, то отогнутый большой палец укажет направление результирующего вектора.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Правило правой руки для результата векторного произведения

Другая формулировка правила правой руки – в виде правила буравчика. Если перемножаемые векторы нарисовать исходящими из одной точки и вращать первый вектор по кратчайшему направлению в сторону второго, то винт или буравчик, который вращается так же, как и первый вектор, будет двигаться (завинчиваясь) по направлению результирующего вектора.

Как и в первом случае, очевидно, что перемене мест множителей меняется направление итогового вектора. На первый взгляд, эта формулировка менее очевидна и более сложна. Но далее будет видно, что некоторые законы лучше моделировать именно так.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Правило буравчика для векторного произведения

Векторное произведение применяется во многих законах физики и техники, поэтому правило правой руки можно использовать и для запоминания принципов, применительно к величинам, входящих в соответствующие формулы.

Правило правой руки

В электродинамике правило правой руки может быть применено для определения взаимного направления тока и магнитной индукции. Это направление определяется законом Био-Савара.

Для одиночного провода

Этот закон, в частности, гласит, что магнитное поле в точке пространства, создаваемое отрезком проводника, по которому протекает электрический ток, направлено перпендикулярно по отношению и к току, и к направлению на проводник. В векторной форме это можно записать, как Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике, где:

  • Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике — магнитная индукция, созданная элементом тока — вектором, направленным по направлению тока;
  • Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике— векторное произведение элемента тока на радиус-вектор до точки, в которой определяется магнитная индукция.

Таким образом, направление вектора магнитной индукции определяется векторным произведением элемента тока и радиус-вектора, а, следовательно, для определения этого направления можно использовать правило правой руки.

В данном случае оно применяется в следующей формулировке:

Если указательный палец совпадает с направлением тока в проводнике, а средний палец указывает на точку, в которой вычисляется индукция, то отогнутый большой палец укажет направление линий магнитной индукции.

Отсчет векторов на правой руке можно начать и с другого пальца. Например, если за вектор Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике принять большой палец, а за Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике – указательный, то отогнутый на 90 градусов безымянный совпадет с направлением результирующего вектора. Это можно использовать для нахождения одного из множителей, если известен результат.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Отсчет правой тройки от большого пальца

Например, если известно направление линий магнитной индукции, а требуется определить направление тока, то надо поставить ладонь правой руки так, чтобы линии вектора индукции входили в поверхность ладони. Тогда отогнутый большой палец покажет направление тока.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Определение направления индукционного тока

В этом случае удобно применять и правило буравчика. Если вворачивать буравчик по направлению тока, то вращение рукоятки укажет направление магнитных силовых линий. И наоборот – если известно, как направлены силовые линии магнитного поля вокруг проводника, надо вращать буравчик (или правый винт) в этом направлении. Тогда буравчик будет двигаться в направлении движения тока.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Применение правила буравчика для определения направления тока или направления вектора магнитной индукции

Для соленоида

Правило буравчика можно применить и для определения направления индукции магнитного поля, созданного круговым током. Если вращать буравчик по направлению движения тока контура, поступательное движение покажет направление вектора магнитной индукции. А если мысленно взять круговой проводник с током в правую руку так, чтобы большой палец был направлен по направлению тока, то остальные четыре пальца будут указывать направление вектора индукции магнитного поля.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
К вопросу определения направления силовых линий поля, созданного круговым током

Катушку с током (соленоид), можно рассматривать, как несколько последовательно соединенных контуров с круговым током. При протекании тока по ее виткам катушки, вокруг нее будет создаваться магнитное поле. Направление линий поля можно определить по одной из разновидностей правила правой руки:

Если обхватить катушку с током так, чтобы направление четырех пальцев совпало с направлением тока в витках, то отставленный большой палец укажет направление линий магнитной индукции.

В этом случае также говорят, что направление большого пальца указывает на северный полюс электромагнита, которым становится катушка (и ее сердечник, при наличии) во время прохождения по виткам электрического тока.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Применение правила правой руки для соленоида

Правило левой руки

На проводник с током действует сила Ампера. Для определения направления действия силы Ампера можно пользоваться законом левой (но не правой!) руки. Если раскрытую ладонь расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока, то отставленный большой палец укажет направление действия силы Ампера.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Направление действия силы Ампера

Надо помнить, что за направление тока принято направление движения положительного заряда (противоположно движению электронов).

Сила Ампера является следствием воздействия силы Лоренца на множество носителей отрицательного заряда, движущихся в проводнике. В состав формулы для силы Лоренца, определяющей воздействие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, входит векторное произведение:

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике, где Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике – векторное произведение скорости частицы на вектор индукции магнитного поля. Но в электротехнике под заряженной частицей в большинстве случаев подразумевается электрон, а он заряжен отрицательно. Следовательно, направление силы меняется на противоположное, и в этом случае применяется закон левой руки.

Чтобы определить направление, с которой сила поля действует на электрон, надо расположить ладонь левой руки таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля входили в тыльную сторону ладони (для положительных частиц – в ладонь), а четыре пальца вытянуть по направлению движения частиц. Тогда отогнутый большой палец покажет направление действия силы.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Так определяется направление действия силы Лоренца на носитель положительного заряда

Для наглядности рекомендуем краткое и простое видео.

Применение законов буравчика в электротехнике

Правила левой и правой руки (включая формулировку с буравчиком) применяются в технике там, где надо определить силу, действующую на проводник, летящую частицу, направление действия индукционного тока и т.п. Так, в электронно-лучевой трубке (кинескопе) отклоняющая система действует на поток электронов посредством силы Лоренца. Направление отклонения пучка от прямой линии полета определяется направлением линий магнитной индукции, создаваемой катушками отклоняющей системы. Чтобы создать требуемое отклонение, надо создать соответствующее магнитное поле. А его направление определяется направлением тока в катушках отклоняющей системы. Следовательно, при проектировании отклоняющих систем не обойтись без применения рассмотренных выше правил.

Как определить направление тока: правило левой и правой руки в физике
Отклоняющая система электронно-лучевой трубки

Другое применение силы Лоренца – масс-спектрографы. Эти приборы разделяют носителей заряда по величине этого заряда, путем воздействия на них магнитного поля. Чем больше заряд у частицы, тем больше она отклоняется от прямолинейного движения. При разработке подобных устройств также применяются правила правой и левой руки.

Существует огромное количество и других приборов, использующих в работе силы Ампера и Лоренца, законы электромагнитной индукции и т.п. При разработке таких устройств не обойтись без знаний правил буравчика. Кроме того, эти правила необходимо знать для решения задач по физике в рамках среднего и высшего образования.

Правило правой руки и буравчика можно применять не только в электродинамике. Векторное произведение используется во многих правилах физики, включая законы механики. Запомнив принцип, можно использовать этот мнемонический прием и в других областях физики и техники.

Avatar photo
Становой Алексей

Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.

Оцените автора
( Пока оценок нет )
Запитка
Добавить комментарий

Этот сайт защищен reCAPTCHA и применяются Политика конфиденциальности и Условия обслуживания применять.

Adblock
detector