Для обозначения направления тока, магнитных линий и прочих физических значений в науке применяют правило левой руки и правило правой руки (закон буравчика или винта). Указанные методы на практике дают наиболее точные результаты. Рассмотрим более подробно каждый из них.
Правило Буравчика
Этоправило на практике достаточно удобно для определения такого значения магнитного поля, как направленность напряжённости. Использовать это правило возможно при условии, что к проводнику с током будет прямолинейно расположено магнитное поле. С его помощью можно без наличия специализированных приборов определить различные физические величины (момент сил, импульса, вектор магнитной индукции).
Это правило:
- поясняет особенность электромагнетизма;
- объясняет физику движения магнитных полей, сопутствующих ему.
Формулировка правила буравчика состоит в следующем: если буравчик с правой нарезкой вкручивается вдоль линии тока, то направление магнитного поля совпадает с направлением рукоятки этого буравчика.
Основным принципом, используемым в правиле винта, является выбор направленности для базисов и векторов . Зачастую на практике определено использовать правый базис. Левые базисы используются крайне редко, в случае когда использование правого неудобно или в целом нецелесообразно. Этот принцип также применим и на соленоиде.
Соленоидом называется катушка со вплотную привязанными витками. Главным требованием является протяжённость катушки, которая должна быть существенно больше, нежели её диаметр.
Кольца соленоида напоминают поле непрерывного магнита. Магнитная стрелка, находясь в свободном вращении и находясь рядом с проводником тока, будет образовывать поле и устремиться занимать вертикальную позицию, проходящую вдоль проводника.
В этом случае оно звучит так: если охватить соленоид таким образом, чтобы пальцы показывали на направленность тока в винтах, то выпяченный заглавный палец правой руки покажет направленность рядов магнитной индукции.
Различные толкования правила буравчика говорят о том, что все его описания приспосабливаются к различным случаям их применения.
Правило правой руки говорит о следующем : охватив элемент, который исследуется таким образом, чтобы пальцы сжатого кулака показывали вектор магнитных линий, при поступательном движении вдоль магнитных линий, заглавный отогнутый на 90 градусов сравнительно ладошки палец покажет направленность движения тока.
В случае когда дан движущийся проводник, принцип будет иметь следующую формулировку: разместить руку так, чтобы силовые линии поля вертикально вступали в ладонь; заглавный палец руки, выставленный вертикально, будет ориентировать направленность перемещения этого проводника, в этом случае четыре остальных выставленных пальца, будут иметь такую же направленность, как и индукционный ток.
Его применение присуще при расчёте катушек, в которых образуется влияние на ток, что влечёт за собой формирование при потребности противотока.
В реальной жизни также применимо следствие этого принципа: если размесить ладошку правой руки так, чтобы линии магнитного силового поля входили в эту ладошку, а пальцы навести на линию перемещения заряженных частиц по оттопыренному заглавному пальцу, то возможно обозначить, куда будет направляться линия данной силы, оказывающая смещающее влияние на проводник. Иными словами, силы, дающей возможность вращать момент силы на валу любого двигателя, работающего с помощью электрического тока.
Рассмотрим правило : если разместить левую ладошку так, что четыре остальные пальца показывают направленность тока, то в этом случае линии индукции будут поступать в ладошку под прямым углом, а отвёрнутый заглавный палец и покажет вектор существующей силы.
Имеется иное обозначение. Направленность силы Ампера и силы Лоренца должен указывать выставленный главный палец левой руки в том случае, если оставшиеся четыре пальца будут размещены в сторону передвижения положительно и отрицательно заряженных элементов электрического тока, и линии индукции образованного поля будут вертикально входить в ладошку. Это изобретение считается теоретическим и практическим объяснением способа работы двигателей и генераторов, работающих с помощью электрического тока.
Можно сделать вывод, что знание данных правил и умение их использовать на практике, позволяют создавать и придумывать электрические приборы и успешно работать с ними.
Видео
Это видео поможет вам лучше понять, что такое магнитное поле.
Что такое "Правило левой руки"? Ответ вы найдете в этом видео.
Магнитное поле - Сила Лоренца.
С помощью правил левой и правой руки с легкостью можно найти и определить направления тока, магнитных линий, а также других физических величин.
Правило буравчика и правой руки
Правило буравчика впервые было сформулировано известным физиком Петром Буравчиком. Его удобно использовать, чтобы определить направленность напряженности. Итак, формулировка правила такова: в случае когда буравчик, двигающийся поступательно, вкручивается по направлению электрического тока, направленность рукоятки самого буравчика должна совпасть с направленностью магнитного поля. Данное правило можно применить с соленоидом: обхватываем соленоид, пальцы должны показывать туда же, куда и ток, то есть показать путь тока в витках, дальше оттопыриваем большой палец правой руки, он и указывает на нужное путь линий магнитной индукции.
Правило правой руки употребляют по статистике гораздо чаще правила буравчика, от части из — за более понятной формулировки, оно гласит: обхватываем предмет правой рукой, при этом сжатые пальцы кулака должны показывать направление магнитных линий, а оттопыренный приблизительно на 90 градусов большой палец должен показать направление электрического тока. Если присутствует движущийся проводник: руку следует развернуть таким образом, чтобы силовые линии данного поля были перпендикулярны ладони (90 градусов) , оттопыренный большой палец должен показать на путь движения проводника, тогда 4 загнутых пальца укажут на путь индукционного тока.
Правило левой руки
У правила левой руки существуют две формулировки. Первая формулировка гласит: следует разместить руку, чтобы оставшиеся загнутые пальцы руки указывали на путь электрического тока в данном проводнике, линии индукции должны быть перпендикулярны ладони, а выставленный большой палец левой руки указывает на силу, оказывающую воздействие на данный проводник. Следующая формулировка гласит: четыре согнутых пальца руки, кроме большого располагаются именно по движению отрицательно заряженных или положительно заряженных электрического тока, а линии индукции при этом должны перпендикулярно (90 градусов) направляться в ладонь, в этом случае выставленный большой в данном случае должен показать на течение силы Ампера или же силы Лоренца.
Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.
Ниже мы собрали вместе основные формулы по теме «Электричество и Магнетизм». Теперь, решая задачи, вы сможете пользоваться этим материалом как справочником, чтобы не терять время на поиски нужной информации.
Магнетизм: определение
Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.
Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.
Магнитная индукция
Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле. Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды. А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.
Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.
Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.
Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл ) . По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.
Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про .
Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.
Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки . Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!
Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.
Сила Ампера
Представим, что есть магнитное поле с индукцией B . Если мы поместим в него проводник длиной l , по которому течет ток силой I , то поле будет действовать на проводник с силой:
Это и есть сила Ампера . Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца
Мы выяснили, что поле действует на проводник с током. Но если это так, то изначально оно действует отдельно на каждый движущийся заряд. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца . Здесь важно отметить слово «движущийся» , так на неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v , а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:
Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.
Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:
Взаимодействие токов
Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.
В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:
Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.
Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:
Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. – это катушка, то есть множество круговых витков с током.
Пусть их количество – N , а длина самого соленоилда – l . Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на
Магнитный поток и ЭДС
Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля. Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля. Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф .
S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В .
При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС , равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила , вы можете почитать в еще одной нашей статье.
По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.
Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока. При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре. Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:
L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн) . На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:
Формула для ЭДС самоиндукции:
Энергия магнитного поля
Электроэнергия, ядерная энергия, кинетическая энергия. Магнитная энергия – одна из форм энергии. В физических задачах чаще всего нужно рассчитывать энергию магнитного поля катушки. Магнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L равна:
Объемная плотность энергии поля:
Конечно, это не все основные формулы раздела физики « электричество и магнетизм» , однако они часто могут помочь при решении стандартных задач и расчетах. Если же вам попалась задача со звездочкой, и вы никак не можете подобрать к ней ключ, упростите себе жизнь и обратитесь за решением в
Тест по физике Правило левой руки. Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток для учащихся 9 класса с ответами. Тест включает в себя 10 заданий с выбором ответа.
1. Направление тока в магнетизме совпадает с направлением движения
1) электронов
2) отрицательных ионов
3) положительных частиц
4) среди ответов нет правильного
2. Квадратная рамка расположена в однородном магнитном поле так, как показано на рисунке. Направление тока в рамке указано стрелками.
Сила, действующая на нижнюю сторону рамки, направлена
3. Электрическая цепь, состоящая из четырех прямолинейных горизонтальных проводников (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) и источника постоянного тока, находится в однородном магнитном поле, силовые линии которого направлены вертикально вверх (см. рис., вид сверху).
1) горизонтально вправо
2) горизонтально влево
3) вертикально вверх
4) вертикально вниз
4. Электрическая цепь, состоящая из четырех прямолинейных горизонтальных проводников (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) и источника постоянного тока, находится в однородном магнитном поле, линии которого направлены горизонтально вправо (см. рис., вид сверху).
5. В основе работы электродвигателя лежит
1) действие магнитного поля на проводник с электрическим током
2) электростатическое взаимодействие зарядов
3) явление самоиндукции
4) действие электрического поля на электрический заряд
6. Основное назначение электродвигателя заключается в преобразовании
1) механической энергии в электрическую энергию
2) электрической энергии в механическую энергию
3) внутренней энергии в механическую энергию
4) механической энергии в различные виды энергии
7. Магнитное поле действует с ненулевой по модулю силой на
1) покоящийся атом
2) покоящийся ион
3) ион, движущийся вдоль линий магнитной индукции
4) ион, движущийся перпендикулярно линиям магнитной индукции
8. Выберите верное(-ые) утверждение(-я).
А. для определения направления силы, действующей на положительно заряженную частицу, следует четыре пальца левой руки располагать по направлению скорости частицы
Б. для определения направления силы, действующей на отрицательно заряженную частицу, следует четыре пальца левой руки располагать против направления скорости частицы
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
9. Положительно заряженная частица, имеющая горизонтально направленную скорость v
1) Вертикально вниз
2) Вертикально вверх
3) На нас
4) От нас
10. Отрицательно заряженная частица, имеющая горизонтально направленную скорость v , влетает в область поля перпендикулярно магнитным линиям. Куда направлена действующая на частицу сила?
1) К нам
2) От нас
3) Горизонтально влево в плоскости рисунка
4) Горизонтально вправо в плоскости рисунка
Ответы на тест по физике Правило левой руки Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток
1-3
2-4
3-2
4-3
5-1
6-2
7-4
8-3
9-4
10-2
Для того, чтобы узнать траекторию вращения магнитного поля, находящегося у прямого проводника с током, используется правило буравчика (штопора). В литературе также оно известно, как правило правой руки. В научной среде выделяют и правило левой руки.
Применение правила буравчика
Данное правило гласит : если при движении вперед этого устройства траектория движения тока в проводнике совпадает с ним, то траектория вращения основания прибора комплементарна траектории движения магнитного контура.
Чтобы определить траекторию вращения магнитного контура на представленном графическом изображении нужно знать несколько особенностей.
Часто в задачах по физике нужно, наоборот, определить траекторию движения тока. Чтобы это сделать, дается направление вращения кругов магнитного поля. Ручка буравчика начинается вращаться в сторону, указанную в условиях. Если буравчик движется в поступательном направлении, значит, ток направлен в сторону движения, если же он направлен в обратную, то и ток движется соответственно.
Для определения траектории движения тока в случае, представленном на втором рисунке, тоже можно воспользоваться правилом штопора . Для этого необходимо вращать ручку буравчика в сторону, указанную на изображении контура магнитного поля. Если он будет двигаться поступательно, то будет двигаться в сторону от наблюдателя, если же, наоборот, только к наблюдателю.
Важно! Если указана траектория движения потока, то определить траекторию вращения линии магнитного контура можно по вращению ручки буравчика.
Оно обозначается при помощи точки или крестика. Точка означает в сторону наблюдателя, крестик означает обратное. Легко запомнить этот случай, используя так называемое правило «стрелы», если острие «смотрит», а в лицо, то траектория движения тока в сторону наблюдателя, если же в лицо «смотрит хвост стрелы», то она двигается от наблюдателя.
Как правило буравчика, так и правило правой руки, достаточно легко применить на практике. Для этого нужно расположить кисть соответствующей руки таким образом, чтобы в лицевую сторону направлялся силовой контур магнитного поля, после чего большой палец, отведенный перпендикулярно, необходимо направить сторону движения тока, соответственно, остальные выпрямленные пальцы укажут на траекторию магнитного контура.
Различают исключительные случаи использования правила правой руки для вычисления:
- уравнения Максвелла;
- момента силы;
- угловой скорости;
- момента импульса;
- магнитной индукции;
- тока в проводе, движущегося через магнитное поле.
Правило левой руки
Правилом этой руки возможно вычислить направленность силы воздействия магнитного контура на заряженные элементарные составляющие атома плюсовой и минусовой
полярности.
Возможно определить и направление тока, если доступна информация о траекториях вращения магнитного контура и действующей на проводник . Определяется и направление магнитного контура в случае известности траектории движения силы и тока. Ну и можно выяснить знак заряда нестатичной частицы.
Это правило звучит следующим образом: расположив лицевую часть кисти соответствующей руки, чтобы воображаемый контур магнитного поля направлялись в нее под прямым углом, а пальцы, за исключением большого, направив в сторону движения тока, можно определить траекторию силы, воздействующая на этот провод при помощи перпендикулярно отодвинутого большого пальца. Сила, оказывающая воздействие на проводник, носит имя Мари Ампера, обнаружившего ее в 1820 году.
Сила Ампера: варианты расчета
Прежде чем сформулировать данную величину, необходимо разобраться, что такое понятие «сила» в физике. Ей называется величина в физике, которая является мерой воздействия всех окружающих тел на рассматриваемый объект. Обычно любую силу обозначают английской буквой F, от латинского fortis, что означает сильный.
Рассчитывается элементарная сила Ампера по формуле :
где, dl – часть длины проводника, B – магнитного контура, I – сила тока.
Рассчитывается также сила Ампера по :
где, J – направление плотности тока, dv– элемент объема проводника.
Формулировка расчета модуля силы Ампера, согласно литературе, звучит так: данный показатель напрямую зависит от силы тока, протяженности проводника, синуса, образуемого между этим вектором и самим проводником угла, и величины значения вектора магнитного контура в модуле. Она и носит название модуля силы Ампера. Формула данного закона математически строится так:
где, B – модуль индукции магнитного контура, I – сила тока, l – длина проводника, α – образуемый угол. Максимальное значение будет при перпендикулярном их пересечении.
Показатель измеряется в ньютона х (условное обозначение – Н) или
Он является векторной величиной и зависит от вектора индукции и тока.
Существуют и другие формулы для расчета силы Ампера. Но на практике они достаточно редко востребованы и тяжелы для понимания.
Сила тока
- закон Ома для полного участка цепи и ее части;
- отношение напряжения и суммы сопротивлений;
- отношение мощности и напряжения.
Самым популярным является отношение количество заряда прошедшего за единицу времени через определенную поверхность к размеру этого интервала. Графически формула выглядит следующим образом:
Чтобы найти этот показатель можно пользоваться законом Ома для участка цепи. Он гласит следующее: величина этого показателя равна отношению приложенного напряжения к сопротивлению на измеряемым участке цепи. Записывается формула этого закона следующим образом:
Определить ее также можно, применив формулу закон Ома для полной цепи. Звучит он так: эта величина является отношением приложенного напряжения в цепи и суммы внутреннего сопротивления источника питания и всего сопротивления в цепи. Формула выглядит так:
Важно! Применение каждой конкретной формулы зависит от имеющихся в распоряжении данных.
Согласно утвержденной МСЕ, измеряется сила тока в амперах, и обозначается А (в честь ученого, открывшего ее). Но это не единственный способ обозначения данной величины. Дополнительно измеряется сила тока в Кл/с.
Изучая в общеобразовательных учреждениях данный материал, ученики быстро забывают, как применять правила левой и правой руки, и для чего они вообще нужны. Также часто они не помнят в чём измеряют указанные величины. Ознакомившись с рассмотренным выше материалом, не должно возникнуть трудностей с применением рассмотренных правил и законов на практике.
Правило буравчика
Правило правой руки