Продолжительное время электрические и магнитные поля изучались раздельно. Но в 1820 году датский учёный Ханс Кристиан Эрстед во время лекции по физике обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается возле проводника с током (см. Рис. 1). Это доказало магнитное действие тока. После проведения нескольких экспериментов Эрстед обнаружил, что поворот магнитной стрелки зависел от направления тока в проводнике.
Рис. 1. Опыт Эрстеда
Для того чтобы представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током, рассмотрим вид с торца проводника (см. Рис. 2, ток направлен в рисунок, - из рисунка), возле которого установлены магнитные стрелки. После пропускания тока стрелки выстроятся определённым образом, противоположными полюсами друг к другу. Так как магнитные стрелки выстраиваются по касательным к магнитным линиям, то магнитные линии прямого проводника с током представляют собой окружности, а их направление зависит от направления тока в проводнике.
Рис. 2. Расположение магнитных стрелок возле прямого проводника с током
Для более наглядной демонстрации магнитных линий проводника с током можно провести следующий опыт. Если вокруг проводника с током высыпать железные опилки, то через некоторое время опилки, попав в магнитное поле проводника, намагнитятся и расположатся по окружностям, которые охватывают проводник (см. Рис. 3).
Рис. 3. Расположение железных опилок вокруг проводника с током ()
Для определения направления магнитных линий возле проводника с током существует правило буравчика (правило правого винта) - если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 4).
Рис. 4. Правило буравчика ()
Также можно использовать правило правой руки - если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 5).
Рис. 5. Правило правой руки ()
Оба указанных правила дают один и тот же результат и могут быть использованы для определения направления тока по направлению магнитных линий поля.
После открытия явления возникновения магнитного поля вблизи проводника с током Эрстед разослал результаты своих исследований большинству ведущих учёных Европы. Получив эти данные, французский математик и физик Ампер приступил к своей серии экспериментов и через некоторое время продемонстрировал публике опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются (см. Рис. 6 б) если ток течёт в противоположные стороны - проводники отталкиваются (см. Рис. 6 а).
Рис. 6. Опыт Ампера ()
Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:
1. Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле.
2. Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле.
3. Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током.
На рисунке 7 изображён проволочный прямоугольник, направление тока в котором показано стрелками. Используя правило буравчика, начертить возле сторон прямоугольника по одной магнитной линии, указав стрелкой её направление.
Рис. 7. Иллюстрация к задаче
Решение
Вдоль сторон прямоугольника (проводящей рамки) вкручиваем мнимый буравчик по направлению тока.
Вблизи правой боковой стороны рамки магнитные линии будут выходить из рисунка слева от проводника и входить в плоскость рисунка справа от него. Это обозначается с помощью правила стрелы в виде точки слева от проводника и крестика справа от него (см. Рис. 8).
Аналогично определяем направление магнитных линий возле других сторон рамки.
Рис. 8. Иллюстрация к задаче
Опыт Ампера, в котором вокруг катушки устанавливались магнитные стрелки, показал, что при протекании по катушке тока стрелки к торцам соленоида устанавливались разными полюсами вдоль мнимых линий (см. Рис. 9). Это явление показало, что вблизи катушки с током есть магнитное поле, а также что у соленоида есть магнитные полюса. Если изменить направление тока в катушке, магнитные стрелки развернутся.
Рис. 9. Опыт Ампера. Образование магнитного поля вблизи катушки с током
Для определения магнитных полюсов катушки с током используется правило правой руки для соленоида (см. Рис. 10) - если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида, то есть на его северный полюс. Это правило позволяет определять направление тока в витках катушки по расположению её магнитных полюсов.
Рис. 10. Правило правой руки для соленоида с током
Определите направление тока в катушке и полюсы у источника тока, если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке 11 магнитные полюсы.
Рис. 11. Иллюстрация к задаче
Решение
Согласно правилу правой руки для соленоида, обхватим катушку таким образом, чтобы большой палец показывал на её северный полюс. Четыре согнутых пальца укажут на направление тока вниз по проводнику, следовательно, правый полюс источника тока положительный (см. Рис. 12).
Рис. 12. Иллюстрация к задаче
На данном уроке мы рассмотрели явление возникновения магнитного поля вблизи прямого проводника с током и катушки с током (соленоида). Также были изучены правила нахождения магнитных линий данных полей.
Список литературы
- А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9. - Дрофа, 2006.
- Г.Н. Степанова. Сборник задач по физике. - М.: Просвещение, 2001.
- А.Фадеева. Тесты физика (7 - 11 классы). - М., 2002.
- В. Григорьев, Г. Мякишев Силы в природе. - М.: Наука, 1997.
Домашнее задание
- Интернет-портал Clck.ru ().
- Интернет-портал Class-fizika.narod.ru ().
- Интернет-портал Festival.1september.ru ().
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.
Вконтакте
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
Вид сзади. лучевая артерия; тыльная запястная ветвь лучевой артерии; локтевая ладонная артерия большого пальца кисти; тыльные пястные артерии; тыльная запястная ветвь локтевой артерии; тыльная сеть запястья...
Атлас анатомии человека
Атлас анатомии человека
Атлас анатомии человека
Научно-технический энциклопедический словарь
Естествознание. Энциклопедический словарь
Большая Советская энциклопедия
Большой энциклопедический словарь
Фразеологический словарь русского литературного языка
Большой словарь русских поговорок
Большой словарь русских поговорок
Словарь синонимов
"ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ" в книгах
Правило правой руки
Из книги Универсальный энциклопедический справочник автора Исаева Е. Л.Правило правой руки Определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле: если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре
Правой руки правило
Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПР) автора БСЭПравило правой руки
Из книги AutoCAD 2009 для студента. Самоучитель автора Соколова Татьяна ЮрьевнаПравило правой руки При работе в трехмерном пространстве в AutoCAD все системы координат формируются по правилу правой руки. Оно определяет положительное направление оси Z трехмерной системы координат при известных направлениях осей X и Y, а также положительное направление
Правило правой руки
Из книги AutoCAD 2009. Учебный курс автора Соколова Татьяна ЮрьевнаПравило правой руки При работе в трехмерном пространстве в AutoCAD все системы координат формируются по правилу правой руки. Оно определяет положительное направление оси Z трехмерной системы координат при известных направлениях осей X и Y , а также положительное
Правила Правой Руки*
Из книги C++ автора Хилл МюррейПравила Правой Руки* Здесь приводится набор правил, которых вам хорошо бы придерживаться изучая С++. Когда вы станете более опытны, вы можете превратить их в то, что будет подходить для вашего рода деятельности и вашего стиля программирования. Они умышлено сделаны очень
«ПАРАЛИЧ» ПРАВОЙ РУКИ
Из книги Музыка и медицина. На примере немецкой романтики автора Ноймайр Антон«ПАРАЛИЧ» ПРАВОЙ РУКИ Но уже в середине октября его настроение снова пришло в «здоровое равновесие». Занятия с музыкальным директором Дорном ему понравились, и его настроение улучшилось, когда он пригласил Кристель на новую квартиру, которую он снял недавно: «Харита
Совершенствование на «пути правой руки»
Из книги Совершенствование мужской сексуальной энергии автора Чиа МантэкСовершенствование на «пути правой руки» Один из методов «пути правой руки», который изучающие Дао могли бы пожелать попробовать, заключается в следующем. После раннего отхода ко сну проснитесь рано утром где-то между полуночью и половиной седьмого утра. В это время часто
УРОК № 1. Тема: расслабление правой руки.
Из книги Психологическая самоподготовка к рукопашному бою автора Макаров Николай АлександровичУРОК № 1. Тема: расслабление правой руки. Все процессы расслабления проще прочувствовать в одной конечности. Правше лучше начинать с правой руки.Прими свою позу. Дыхание успокаивающее. Закрой глаза. Все внимание на правую руку. Расслабь мышцы, сними малейшее напряжение.
Глава 94: Запретность использования правой руки для подмывания.
автора аль-БухариГлава 94: Запретность использования правой руки для подмывания. 121 (153). Сообщается, что Абу Катада, да будет доволен им Аллах, сказал: «Посланник Аллаха, да благословит его Аллах и приветствует, сказал: “Когда кто-нибудь из вас будет пить, пусть не дышит в сосуд, если же зайдёт
Глава 324: Возложение правой руки на левую.
Из книги Мухтасар «Сахих» (сборник хадисов) автора аль-БухариГлава 324: Возложение правой руки на левую. 403 (740). Сообщается, что Сахль бин Са‘д, да будет доволен им Аллах, сказал: «Людям приказывали, чтобы во время молитвы они возлагали правую кисть на левое
Защита подставкой предплечья правой руки
Из книги Бойцовский клуб: боевой фитнес для мужчин автора Атилов АманЗащита подставкой предплечья правой руки Техника выполнения: примите боевую стойку. Расположите предплечье правой руки на уровне головы. а) б)Фото 122. Подставка предплечья правой руки Фото 123. Защита подставкой предплечья правой
Освобождение от захвата запястья правой руки
автора Мастер ЧойОсвобождение от захвата запястья правой руки Противник захватывает запястье вашей правой руки своей правой рукой.Разверните кисть вашей правой руки снизу-вверх по часовой стрелке вокруг запястья правой руки противника так, чтобы ладонь вашей правой руки упиралась об
Из книги Хапкидо для начинающих автора Мастер ЧойОсвобождение от захвата локтя правой руки Противник захватил левой рукой вашу правую руку в области локтя.Поднимите вверх согнутую в локте правую руку так, чтобы рука противника находилась с внутренней стороны вашей руки. Затем сделайте шаг левой ногой назад,
Освобождение от захвата локтя правой руки
Из книги Хапкидо для начинающих автора Мастер ЧойОсвобождение от захвата локтя правой руки Противник захватил вашу правую руку на уровне локтя своей левой рукой.Сделайте шаг назад левой ногой. Одновременно поднимите согнутую в локте правую руку так, чтобы рука противника находилась внутри вашей. Затем выполните
Урок 1 Тема: расслабление правой руки
Из книги Штурмовой бой ГРОМ. Психологическая подготовка автора Махов Станислав ЮрьевичУрок 1 Тема: расслабление правой руки Все процессы расслабления проще прочувствовать в одной конечности. Правше лучше начинать с правой руки.Прими свою позу. Дыхание успокаивающее. Закрой глаза. Все внимание на правую руку. Расслабь мышцы, сними малейшее напряжение. В
Силу,
действующую на движущуюся заряженную
частицу со стороны магнитного поля,
называют силой
Лоренца
.
Опытным путём установлено, что сила,
действующая в магнитном поле на заряд
,
перпендикулярна векторам
и
,
а ее модуль определяется формулой:
,
где
– угол между векторами
и
.
Направление
силы Лоренца
определяется
правилом
левой руки
(рис. 6):
если
вытянутые пальцы расположить по
направлению скорости положительного
заряда, а силовые линии магнитного поля
будут входить в ладонь, то отогнутый
большой палец укажет направление силы
,
действующей на заряд со стороны магнитного
поля.
Для
отрицательного заряда направление
следует изменить на противоположное.
Рис. 6. Правило левой руки для определения направления силы Лоренца.
1.5. Сила Ампера. Правило левой руки для определения направления силы Ампера
Экспериментально установлено, что на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, получившая название силы Ампера (см. п. 1.3.). Направление силы Ампера (рис. 4) определяется правилом левой руки (см. п. 1.3).
Модуль силы Ампера вычисляется по формуле
,
где
–
сила тока в проводнике,
-
индукция магнитного поля,
-
длина проводника,
-
угол между направлением тока и вектором
.
1.6. Магнитный поток
Магнитным
потоком
сквозь
замкнутый контур называется скалярная
физическая величина, равная произведению
модуля вектора
на площадь
контура и на косинус угла
между
вектором
и
нормалью
к контуру (рис. 7):
Рис. 7. К понятию магнитного потока
Магнитный
поток наглядно можно истолковать как
величину, пропорциональную числу линий
магнитной индукции, пронизывающих
поверхность площадью
.
Единицей
магнитного потока является вебер
.
Магнитный поток в 1 Вб создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:
1 Вб =1 Тл·м 2 .
2. Электромагнитная индукция
2.1. Явление электромагнитной индукции
В 1831г. Фарадей обнаружил физическое явление, получившее название явления электромагнитной индукции (ЭМИ), заключающееся в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в нем возникает электрический ток . Полученный Фарадеем ток называется индукционным .
Индукционный ток можно получить, например, если постоянный магнит вдвигать внутрь катушки, к которой присоединен гальванометр (рис. 8, а). Если магнит вынимать из катушки, возникает ток противоположного направления (рис. 8, б).
Индукционный ток возникает и в том случае, когда магнит неподвижен, а движется катушка (вверх или вниз), т.е. важна лишь относительность движения.
Но не при всяком движении возникает индукционный ток. При вращении магнита вокруг его вертикальной оси тока нет, т.к. в этом случае магнитный поток сквозь катушку не изменяется (рис. 8, в), в то время как в предыдущих опытах магнитный поток меняется: в первом опыте он растет, а во втором – уменьшается (рис. 8, а, б).
Направление индукционного тока подчиняется правилу Ленца :
возникающий в замкнутом контуре индукционный ток всегда направлен так, чтобы создаваемое им магнитное поле противодействовало причине, его вызывающей.
Индукционный ток препятствует внешнему потоку при его увеличении и поддерживает внешний поток при его убывании.
Рис. 8. Явление электромагнитной индукции
Ниже
на левом рисунке (рис. 9) индукция внешнего
магнитного поля
,
направленного "от нас" (+) растет
(
>0),
на правом – убывает (
<0).
Видно, чтоиндукционный
ток
направлен так, что его собственное
магнитное
поле препятствует изменению внешнего
магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Рис. 9. К определению направления индукционного тока
В физике и электротехнике широко используются различные приемы и способы, позволяющие определить одну из характеристик магнитного поля - направленность напряженности. С этой целью используется закон буравчика, правой и левой руки. Данные способы позволяют получить довольно точные результаты.
Правило буравчика и правой руки
Закон буравчика используется для определения направленности напряженности магнитного поля. Оно работает при условии прямолинейного расположения магнитного поля, относительно проводника с током.
Это правило заключается в совпадении направленности магнитного поля с направленностью рукоятки буравчика, при условии вкручивания буравчика с правой нарезкой в направлении электрического тока. Данное правило применяется и для соленоидов. В этом случае, большой палец, оттопыренный на правой руке, указывает направление линий . При этом, соленоид обхватывается так, что пальцы указывают направление тока в его витках. Обязательным условием является превышение длиной катушки ее диаметра.
Правило правой руки противоположно правилу буравчика. При обхватывании исследуемого элемента, пальцы в сжатом кулаке указывают направление магнитных линий. При этом, учитывается поступательное движение по направлению магнитных линий. Большой палец, который отогнут на 90 градусов по отношению к ладони, указывает направление .
При движущемся проводнике, силовые линии перпендикулярно входят в ладонь. Большой палец руки вытянут перпендикулярно, и указывает направление движения проводника. Оставшиеся четыре оттопыренных пальца, расположены в направлении индукционного тока.
Правило левой руки
Среди таких способов, как правило буравчика, правой и левой руки, следует отметить правило левой руки. Для того, чтобы это правило работало, необходимо расположить левую ладонь таким образом, чтобы направление четырех пальцев было в сторону электрического тока в проводнике. Индукционные линии входят в ладонь перпендикулярно под углом 90 0 . Большой палец отогнут, и указывает направление силы, действующей на проводник. Обычно, этот закон применяется, когда нужно определить направление отклонения проводника. В данной ситуации проводник располагается между двумя магнитами и по нему пропущен электрический ток.
Правило левой руки формулируется еще и таким образом, что четыре пальца на левой руке располагаются в направлении, куда движутся положительные или отрицательные частицы электрического тока. Индукционные линии, как и в других случаях, должны перпендикулярно располагаться относительно ладони и входить в нее. Большой оттопыренный палец указывает на направление силы Ампера или Лоренца.