Правило буравчика, правой и левой руки
- Статья
- Видео
Правило буравчика, правой руки и левой руки нашли широкое применение в физике. Мнемонические правила нужны для лёгкого и интуитивного запоминания информации. Обычно это приложение сложных величин и понятий на бытовые и подручные вещи. Первым, кто сформулировал данные правила, является физик Петр Буравчик. Данное правило относится к мнемоническому и тесно соприкасается с правилом правой руки, его задачей является определением направления аксиальных векторов при известном направлении базисного. Так гласят энциклопедии, но мы расскажем об этом простыми словами, кратко и понятно.
- Объяснение названия
- Как связано магнитное поле с буравчиком и руками
- Магнитное поле в соленоиде
- Определение направления тока буравчиком
- Что связано с левой рукой
- Выводы
Объяснение названия
Большинство людей помнят упоминание об этом из курса физики, а именно раздела электродинамики.
Так вышло неспроста, ведь эта мнемоника зачастую и приводится ученикам для упрощения понимания материала. В действительности правило буравчика применяют как в электричестве, для определения направления магнитного поля, так и в других разделах, например, для определения угловой скорости.
Под буравчиком подразумевается инструмент для сверления отверстий малого диаметра в мягких материалах, для современного человека привычнее будет привести для примера штопор.
Важно! Предполагается, что буравчик, винт или штопор имеет правую резьбу, то есть направление его вращения, при закручивании, по часовой стрелке, т.е. вправо.
На видео ниже предоставлена полная формулировка правила буравчика, посмотрите обязательно, чтобы понять всю суть:
Как связано магнитное поле с буравчиком и руками
В задачах по физике, при изучении электрических величин, часто сталкиваются с необходимостью нахождения направления тока, по вектору магнитной индукции и наоборот.
Также эти навыки потребуются и при решении сложных задач и расчетов, связанных магнитным полем систем.
Прежде чем приступить к рассмотрению правил, хочу напомнить, что ток протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим. Можно сказать проще — ток протекает от плюса к минусу.
Правило буравчика имеет следующий смысл: при вкручивании острия буравчика вдоль направления тока – рукоятка будет вращаться по направлению вектора B (вектор линий магнитной индукции).
Правило правой руки работает так:
Поставьте большой палец так, словно вы показываете «класс!», затем поверните руку так, чтобы направление тока и пальца совпадали. Тогда оставшиеся четыре пальца совпадут с вектором магнитного поля.
Наглядный разбор правила правой руки:
Чтобы увидеть это более наглядно проведите эксперимент – рассыпьте металлическую стружку на бумаге, сделайте в листе отверстие и проденьте провод, после подачи на него тока вы увидите, что стружка сгруппируется в концентрические окружности.
Магнитное поле в соленоиде
Всё вышеописанное справедливо для прямолинейного проводника, но что делать, если проводник смотан в катушку?
Мы уже знаем, что при протекании тока вокруг проводника создается магнитное поле, катушка – это провод, свёрнутый в кольца вокруг сердечника или оправки много раз. Магнитное поле в таком случае усиливается. Соленоид и катушка – это, в принципе, одно и то же. Главная особенность в том, что линии магнитного поля проходят так же как и в ситуации с постоянным магнитом. Соленоид является управляемым аналогом последнего.
Правило правой руки для соленоида (катушки) нам поможет определить направление магнитного поля. Если взять катушку в руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, тогда большой палец укажет на вектор B в середине катушки.
Если закручивать вдоль витков буравчик, опять же по направлению тока, т.е. от клеммы «+», до клеммы «-» соленоида, тогда острый конец и направление движения как лежит вектор магнитной индукции.
Простыми словами – куда вы крутите буравчик, туда и выходят линии магнитного поля. То же самое справедливо для одного витка (кругового проводника)
Определение направления тока буравчиком
Если вам известно направление вектора B – магнитной индукции, вы можете легко применить это правило. Мысленно передвигайте буравчик вдоль направления поля в катушке острой частью вперед, соответственно вращение по часовой стрелки вдоль оси движения и покажет, куда течет ток.
Если проводник прямой – вращайте вдоль указанного вектора рукоятку штопора, так чтобы это движение было по часовой стрелке. Зная, что он имеет правую резьбу – направление, в котором он вкручивается, совпадает с током.
Что связано с левой рукой
Не путайте буравчика и правило левой руки, оно нужно для определения действующей на проводник силы. Выпрямленная ладонь левой руки располагается вдоль проводника. Пальцы показывают в сторону протекания тока I. Через раскрытую ладонь проходят линии поля.
Можно это правило применить к отдельной заряженной частице и определить направление 2-х сил:
- Лоренца.
- Ампера.
Представьте, что положительно заряженная частица двигается в магнитном поле. Линии вектора магнитной индукции перпендикулярны направлению её движения. Нужно поставить раскрытую левую ладонь пальцами в сторону движения заряда, вектор B должен пронизывать ладонь, тогда большой палец укажет направление вектора Fа. Если частица отрицательная – пальцы смотрят против хода заряда.
Если какой-то момент вам был непонятен, на видео наглядно рассматривается, как пользоваться правилом левой руки:
Важно знать! Если у вас есть тело и на него действует сила, которая стремится его повернуть, вращайте винт в эту сторону, и вы определите, куда направлен момент силы.
Если вести речь об угловой скорости, то здесь дело обстоит так: при вращении штопора в одном направлении с вращением тела, завинчиваться он будет в направлении угловой скорости.
Выводы
Освоить эти способы определения направления сил и полей очень просто. Такие мнемонические правила в электричестве значительно облегчают задачи школьникам и студентам. С буравчиком разберется даже полный чайник, если он хотя бы раз открывал вино штопором. Главное не забыть, куда течет ток. Повторюсь, что использование буравчика и правой руки чаще всего с успехом применяются в электротехнике.
Напоследок рекомендуем просмотреть видео, благодаря которому вы на примере сможете понять, что такое правило буравчика и как его применять на практике:
Наверняка вы не знаете:
- Зависимость сопротивления проводника от температуры
- Как стать электриком
- Что такое фаза, ноль и земля
- Тесты по электротехнике
Правила буравчика и левой руки в физике: формулировка, принцип действия
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.
Содержание:
- Правило Буравчика
- Правило левой руки
- Видео
Правило Буравчика
Это правило 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.
Правило левой руки
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.
Правило правой руки | PASCO
Правило правой руки в физике
Правило правой руки — это мнемоника, используемая в физике для определения направления осей или параметров, которые указывают в трех измерениях.
Правило правой руки, изобретенное в 19 веке британским физиком Джоном Амброузом Флемингом для применения в электромагнетизме, наиболее эффективно.
часто используется для определения направления третьего параметра, когда известны два других (магнитное поле, ток, магнитная сила).
Есть несколько вариантов правила правой руки, которые объясняются в этом разделе.
Когда проводник, например медный провод, движется через магнитное поле (В), в проводнике индуцируется электрический ток (I). Это явление известно как закон индукции Фарадея. Если проводник движется внутри магнитного поля, то имеет место соотношение между направлениями движения проводника (скоростью), магнитным полем и индукционным током. Мы можем использовать правило правой руки Флеминга исследовать закон индукции Фарадея, который представлен уравнением:
ЭДС = ЭДС индукции (В или Дж/Кл)
N = количество витков катушки
Δ𝚽 B = изменение магнитного потока (Tm2)
Δ t = изменение во времени (с)
Поскольку оси x, y и z перпендикулярны друг другу и образуют прямые углы, для визуализации их можно использовать правило правой руки.
выравнивание в трехмерном пространстве. Чтобы использовать правило правой руки, начните с создания L-образной формы, используя правый большой палец, указатель и средний палец.
Палец. Затем переместите средний палец внутрь к ладони так, чтобы он был перпендикулярен указательному и большому пальцу. Твоя рука
должно выглядеть примерно так:
На диаграмме выше большой палец совпадает с осью z, указательный палец совмещается с осью x, а средний палец совмещается с осью y.
Беспроводная смарт-тележка
Один из лучших способов помочь учащимся научиться уверенно пользоваться правилом правой руки — это выполнить наглядную демонстрацию, которая поможет им распознать и исправить свои неправильные представления об ортогональных отношениях и системах координат.
Многие учителя используют вращающуюся измерительную линейку, чтобы показать, что объект, который кажется вращающимся «по часовой стрелке» с точки зрения одного ученика, также кажется вращающимся «против часовой стрелки», если смотреть с другой точки зрения.
Использование динамической тележки для обучения правилу правой руки позволяет преподавателям продемонстрировать как задачу с терминологией «по часовой стрелке», так и «против часовой стрелки», а также решение, которое дает правило правой руки и оси вращения.
С помощью Wireless Smart Cart преподаватели могут использовать 3-осевой гироскоп и фиксированную систему координат для создания увлекательных демонстраций вращательного движения.
Полную демонстрацию смотрите здесь.
Правило правой руки для магнетизма
Движущиеся заряды
Заряженная частица – это частица с электрическим зарядом. Когда неподвижная заряженная частица находится в магнитном поле, она не
испытать магнитную силу; однако, как только заряженная частица движется в магнитном поле, она испытывает индуцированное магнитное поле.
сила, смещающая частицу с ее первоначального пути. Это явление, также известное как сила Лоренца, согласуется с правилом, согласно которому
утверждает, что «магнитные поля не работают».
Если скорость заряженной частицы параллельна магнитному полю (или антипараллельна), то силы нет, так как sin(θ) равен нулю. Когда это происходит, заряженная частица может сохранять прямолинейное движение даже в присутствии сильного магнитного поля.
Плоскость, образованная направлением магнитного поля и скоростью заряженной частицы, находится под прямым углом к силе. Поскольку сила возникает под прямым углом к плоскости, образованной скоростью частицы и магнитным полем, мы можем использовать правило правой руки, чтобы определить их направленность.
Правило правой руки гласит: чтобы определить направление магнитной силы на положительно движущемся заряде, наведите большой палец правой руки на
направление скорости (v), ваш указательный палец в направлении магнитного поля (B), а ваш средний палец будет указывать на
направление результирующей магнитной силы (F).
На отрицательные заряды действует сила в противоположном направлении.
Магнитная сила, индуцированная током: ток в прямом проводе
Обычный ток состоит из движущихся зарядов, которые по своей природе положительны. Когда обычный ток течет по токопроводящему проводу, на провод воздействует магнитное поле, которое толкает его. Мы можем использовать правило правой руки, чтобы определить направление силы, действующей на провод с током. В этой модели ваши пальцы указывают в направлении магнитного поля, большой палец указывает в направлении магнитного поля. обычный ток, проходящий через провод, и ваша ладонь указывает направление, в котором провод проталкивается (сила).
Магнитная сила, действующая на проводник с током, определяется уравнением:
Когда длина провода и магнитное поле находятся под прямым углом друг к другу, уравнение принимает вид:
F B = магнитная сила (Н)
I = ток (А)
L = длина провода (м)
B = магнитное поле (Тл)
Если рассматривать протекание тока как движение положительных носителей заряда (условный ток) в вышеуказанном
изображение, мы замечаем, что обычный ток движется вверх по странице.
Так как обычный ток состоит
положительных зарядов, то тот же проводник с током можно описать как имеющий ток с отрицательным
носители заряда движутся вниз по странице. Хотя эти потоки движутся в противоположных направлениях, единый
наблюдается магнитная сила, действующая на провод. Следовательно, сила действует в том же направлении, независимо от того,
рассмотрим поток положительных или отрицательных носителей заряда на изображении выше. Применение правила правой руки к
направление обычного тока указывает правильное направление магнитной силы.
Когда мы рассматриваем поток отрицательных носителей заряда на изображении выше, правило правой руки указывает на
направление оставшейся силы; однако отрицательный знак меняет результат на противоположный, указывая на то, что направление
магнитной силы действительно указывает вправо.
Если мы рассмотрим поток зарядов в двух разных проводах, один с положительными зарядами течет вверх по странице, а другой
с отрицательными зарядами, текущими вверх по странице, то направление магнитных сил не будет одинаковым, потому что
мы рассматриваем две различные физические ситуации.
В первом проводе поток позитива заряжает страницу вверх
указывает на то, что отрицательные заряды стекают вниз по странице. Использование правила правой руки говорит нам, что магнитное
сила будет указывать в правильном направлении. По второму проводу отрицательные заряды текут вверх по странице, что
означает, что положительные заряды стекают по странице. В результате правило правой руки указывает на то, что магнитное поле
сила направлена влево.
Токи, индуцированные магнитными полями
В то время как магнитное поле может быть индуцировано током, ток также может быть индуцирован магнитным полем. Мы можем использовать
второе правило правой руки, иногда называемое правилом захвата правой рукой, для определения направления магнитного поля.
поле, созданное током. Чтобы использовать правило хвата правой рукой, направьте большой палец правой руки в направлении течения.
течь и сгибать пальцы. Направление ваших пальцев будет отражать изогнутое направление наведенного магнитного поля.
Правило захвата правой рукой особенно полезно для решения задач, связанных с токоведущим проводом или соленоидом. В обоих случаях правило хвата правой рукой применяется к двум применениям закона Ампера о замкнутом контуре, который касается интегрального магнитного поля вокруг замкнутого контура к электрическому току, проходящему через плоскость замкнутого контура.
Направление вращения: Соленоиды
Когда электрический ток проходит через соленоид, он создает магнитное поле. Чтобы использовать правило хвата правой рукой в проблемы с соленоидом, направьте пальцы в направлении условного тока и сверните пальцы, как будто они были вокруг соленоида. Ваш большой палец будет указывать в направлении линий магнитного поля внутри соленоида. Примечание что силовые линии магнитного поля направлены в противоположную сторону вне соленоида. Они оборачивают изнутри снаружи соленоида.
Направление вращения: токоведущие провода
Когда электрический ток проходит по прямому проводу, он индуцирует магнитное поле.
Чтобы применить правило хвата правой рукой,
совместите большой палец с направлением обычного тока (от положительного к отрицательному), и ваши пальцы укажут
направление магнитных линий потока.
Правая линейка для крутящего момента
Проблемы крутящего момента часто являются самой сложной темой для студентов первого курса физики. К счастью, есть правило правой руки приложение для крутящего момента, а также. Чтобы использовать правило правой руки в задачах с крутящим моментом, возьмите правую руку и направьте ее в направление вектора положения (r или d), затем поверните пальцы в направлении силы, и ваш большой палец укажет в направлении крутящего момента.
Уравнение для расчета величины вектора крутящего момента для крутящего момента, создаваемого данной силой:
Когда угол между вектором силы и плечом момента является прямым углом, синусоидальный член становится равным 1, и уравнение становится:
F = усилие (Н)
𝜏 = крутящий момент (Нм)
r = расстояние от центра до линии действия (м)
Положительный и отрицательный момент
Моменты, возникающие в направлении против часовой стрелки, являются положительными моментами.
Альтернативно, крутящие моменты, возникающие в
направление по часовой стрелке — отрицательные крутящие моменты. Так что же происходит, если ваша рука указывает на бумагу или выходит из нее? Крутящие моменты, которые
лицевой стороной от бумаги следует анализировать как положительные крутящие моменты, а крутящие моменты, направленные внутрь, следует анализировать.
как отрицательные моменты.
Правило правой руки для перекрестного произведения
Перекрестное произведение или векторное произведение создается, когда упорядоченная операция выполняется над двумя векторами, a и b. векторное произведение векторов a и b перпендикулярно обоим a и b и нормально к плоскости, которая его содержит. С существует два возможных направления векторного произведения, для определения направления следует использовать правило правой руки вектора перекрестного произведения.
Например, векторное произведение векторов a и b можно представить с помощью уравнения:
(произносится как «крест б»)
Чтобы применить правило правой руки к перекрестным произведениям, расположите пальцы под прямым углом.
Затем укажите свой индекс
указательным пальцем в направлении вектора а и средним пальцем в направлении вектора b. Ваш правый большой палец будет указывать
в направлении векторного произведения a x b (вектор c).
Правило правой руки для закона Ленца
Закон электромагнитной индукции Ленца — еще одна тема, которая часто кажется нелогичной, поскольку требует понимание того, как магнетизм и электрические поля взаимодействуют в различных ситуациях. Закон Ленца гласит, что направление тока, индуцируемого в замкнутом проводящем контуре изменяющимся магнитным полем (закон Фарадея), таков, что вторичное магнитное поле, созданное индуцированным током, противодействует первоначальному изменению магнитного поля, которое произвело Это. Итак, что это значит? Давайте сломаем это.
Когда магнитный поток через проводник с замкнутым контуром изменяется, он индуцирует ток внутри контура. Индуцированный
ток создает вторичное магнитное поле, противодействующее первоначальному изменению потока, вызвавшему индукционный ток.
Сила магнитного поля, проходящего через проволочную катушку, определяет магнитный поток. Магнитный поток зависит от
напряженность поля, площадь катушки и относительная ориентация между полем и катушкой, как показано
в следующем уравнении.
𝚽 B = магнитный поток (Tm 2 )
B = магнитное поле (Тл)
Θ = угол между полем и нормалью (градусы)
A = площадь петли (м 2 )
Чтобы понять, как закон Ленца повлияет на эту систему, нам нужно сначала определить, является ли начальное магнитное поле
увеличение или уменьшение силы. По мере приближения северного магнитного полюса к петле это вызывает существующее магнитное поле.
поле увеличить. Поскольку магнитное поле увеличивается, индуцированный ток и результирующее индуцированное магнитное поле будут
противостоять первоначальному магнитному полю, уменьшая его. Это означает, что первичное и вторичное магнитные поля будут возникать в
противоположные направления.
Когда существующее магнитное поле уменьшается, индуцированный ток и результирующая индуцированная магнитная
поле будет противодействовать исходному, уменьшая магнитное поле, усиливая его. Таким образом, индуцированное магнитное поле будет иметь
того же направления, что и первоначальное магнитное поле.
Чтобы применить правило правой руки к закону Ленца, сначала определите, увеличивается ли магнитное поле в контуре или
уменьшение. Вспомним, что магниты создают силовые линии магнитного поля, которые движутся от северного магнитного полюса внутрь к магнитному полюсу.
магнитный южный полюс. Если магнитное поле увеличивается, то направление вектора индуцированного магнитного поля будет
в противоположном направлении. Если магнитное поле в контуре убывает, то вектор индуцированного магнитного поля будет
происходят в том же направлении, чтобы заменить уменьшение исходного поля. Затем выровняйте большой палец в направлении
наведенное магнитное поле и согните пальцы. Ваши пальцы будут указывать в направлении индуцированного тока.
Правило правой руки
Ориентация для левшей показана слева, а для правшей — справа.
Использование правой руки.
В математике и физике правило правой руки является общепринятой мнемоникой для понимания условных обозначений векторов в трех измерениях. Он был изобретен для использования в электромагнетизме британским физиком Джоном Амброузом Флемингом в конце 19 века.
При выборе трех векторов, которые должны быть под прямым углом друг к другу, есть два различных решения, поэтому при выражении этой идеи в математике необходимо устранить неоднозначность того, какое решение имеется в виду.
Существуют вариации мнемоники в зависимости от контекста, но все вариации связаны с одной идеей выбора условности.
Содержание
|
Наиболее распространенным примером является векторное перекрестное произведение. Правило правой руки требует следующей процедуры выбора одного из двух направлений.
В качестве альтернативы, когда вращение задается вектором и необходимо понять, каким образом происходит вращение, применимо правило захвата правой рукой.