Правило буравчика или правило правой руки, определение и формула

При решении многих задач, связанных с расчётом электрических величин, необходимо знать линии магнитной индукции относительно электрического тока и наоборот. Для определения ориентации сил и полей часто используют правило буравчика, дающее представление о направлении векторов, магнитном поле и других данных, используемых в электротехнике, физике.

правило буравчика
Правило буравчика

Правило буравчика (ПБ), именуемое ещё и правилом штопора, винта сводится к несложному определению. Если кончик буравчика нацелить по направлению тока, то линии магнитной индукции (ЛМИ) сориентируются в том направлении, в котором будет крутиться рукоятка инструмента.

Указанный на рисунке пример отчётливо демонстрирует описанное правило. Воображаемый винт с правосторонней резьбой, кругооборот которого совпадает с линиями магнитного поля (круги красного цвета), указывает на направление тока (стрелка синего цвета).

Это главная и общая формулировка правила, помогающая выявить направление в пространстве нужных для расчётов осевых векторов:

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

Правило буравчика кратко и понятно

Схематичное изображение правила буравчика
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
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

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 Ампера и Лоренца
Правило левой руки для закона Ампера и силы Лоренца

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

Правило буравчика: формулировка и определение

Схема и обозначения для правила буравчика
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 определенияСоответствие
ППР 
Направление движения Бдействующей на проводник силе
Направление сложенных пальцевиндукционному току

В нижеследующей таблице представлены метод и соответствие для левой руки.

Метод определенияСоответствие
ПЛР 
Направление большого пальцадвижению контрольного провода
Направление сложенных пальцевтоку 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
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.

Правило правой руки для магнитного поля

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.

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
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.

Правило буравчика для прямого и кругового тока

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.

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.

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
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.

Направление вектора-произведения
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).

Кто придумал правило буравчика

По поводу изобретателя этого правила и человека, придумавшего его, сведений не имеется. По разным источникам отмечаются разные имена с обязательной привязкой к фамилии, похожей на название инструмента. Однако какой-либо связи с известными физиками в данном случае нет.

Возможно это одно из тех правил, которое в силу поведения электротока и МП определило схожесть с действием известного инструмента, а потом уже было сформулировано.

Правило буравчика: рисунок (схема)

Рассмотрим наглядные примеры демонстрации правила буравчика на схемах:

Правило буравчика пример
Правило буравчика
Использование правила буравчика на схеме
Использование правила буравчика на схеме

Правило буравчика: примеры задач с решением

Задача 1. По проводнику длиной 40 см протекает ток силой 10 А. Чему равна индукция МП, куда помещён проводник, если на него действует сила 8 мН? (Ответ отразить в мТл).

Решение: Дано:

l=40 cм или=0,4 м, I=10 A, F=8 мН или=0,008 Н.

Определить: B

Проводим вычисление по формуле модуля магнитной индукции:

B = F / (I * l):

B = 0,008 Н / (0,4 м*10 A) = 0,002 Tл = 2 мTл.

Ответ: 2 мTл.

Задача 2. Определить модуль силы, влияющей на проводник длиной 50 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,15 Тл. (Ответ отразить в мН).

Решение: Дано:

l = 50 cм или 0,5 м, I = 10 A, B = 0,15 Tл.

Найти: F

Проводим вычисление по формуле силы Ампера:

F = B * I * l:

F = 0,15 Tл * 10 A * 0,5 м = 0,75 Н = 750 мН

Ответ: 750 мН.

Задача 3. С какой скоростью влетает электрон в однородное МП (индукция 1,8 Тл) под углом 90 градусов к линиям индукции, если МП действует на него с силой 3,6∙10–12 Н? (Ответ отразить в км/с).

Решение: Дано:

B = 1,8 Tл, F = 3,6*10–12 Н, α = 90°.

Найти: v

Вычисление: Заряд электрона равен: q₀ = 1,6·10–19 Кл.

Формула силы Лоренца: выразим из неё скорость, учитывая, что sin 90° = 1.

Выполняем расчёт:

v = 3,6*10–12 Н / (1,6*10–19 Кл*1,8 Tл) = 1,25*10–7 м/с = 12 500 км/с.

Ответ: v = 12 500 км/с.

Задача с использованием правила буравчика
Задача 4
Задача 5 на правило буравчика
Задача 5 на правило буравчика

Ознакомившись один раз с ППР и ПЛР, понимаешь, до какой степени они легки и просты в применении. Ведь эти правила компенсируют слабые знания некоторых законов физики, а конкретно электротехники. Основное в этих правилах — не перепутать путь течения тока.

Преимущества ППР и ПЛР как раз заключается в том, что они дают возможность с достаточной точностью определить основные параметры без применения дополнительных приборов. Правила используются и при различных опытах и испытаниях, и в практике, если дело касается проводников и электромагнитных полей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanderss.ru © 2020

Adblock
detector