Правило буравчика для чего

Правило буравчика простым языком

Самая простая техника запоминания — это мнемонические правила. Они помогают понять сложное действие путем простого представления или сравнения. Статья даст подробное описание, что такое правило буравчика, кратко и понятно опишет его основное определение.

Также будет дано описание применения этого правила для обоснования различных физических законов. Дополнительно будет дано описание правила левой руки и двух мнемонических алгоритмов для определения направленности электромагнитной индукции.

Определение

Автором правила буравчика является физик-теоретик Петр Сигизмундович Буравчик. С его помощью было определено направление аксиального вектора с известным базисным вектором. Данное правило используется в случае мнемонического определения с применением правой и левой руки.

Такое правило является мнемоническим алгоритмом для установления электромагнитной индукции, на основе установленного направления движения электрического тока, который является возбудителем магнитных полей.

Более кратко и понятно это правило можно объяснить следующим образом:

Общепринятым правилом считается направление движения витка в правую сторону. Принимая этот факт, можно сделать вывод: при движении тока по кратчайшему пути в одном направлении, а именно от положительного значения к отрицательному, линии магнитной индукции будут направлены в правую сторону. Условие актуально для прямого проводника.

Правило буравчика имеет две основные разновидности:

Далее будет дано объяснение и конкретный пример для более простого понимания.

Правая рука

Правило правой руки используется для мнемонического определения направленности движения электромагнитной индукции. Формулировка у этого алгоритма следующая: необходимо сжать ладонь в кулак и поднять вверх большой палец. В этом жесте палец имитирует электрический проводник и направленность движения электрического тока. А 4 сжатых пальца указывают на направление линий магнитной индукции.

В физике принято считать эталоном именно буравчик. Для более легкого понимания этот инструмент можно представить в виде винта, шурупа с правосторонней резьбой или сверла.

Правило буравчика не окончательное определение. Оно может трактоваться совсем по-разному, когда требуется определить угловую скорость, магнитную индукцию, механическое вращение и момент импульса.

Вектор произведения

Буравчик может помочь в следующем вопросе – определение векторного произведения. Трактуется в этом случае такое правило следующим образом:

Это правило так же учитывает правостороннюю направленность резьбы буравчика. Также это правило применимо к направленности по часовой стрелке. Если вращать вектор сомножитель по часовой стрелке до того момента, пока он и второй вектор сомножитель не будут совмещены, то направление движения будет зависеть от того, кто вращает данный вектор. Так же вращение будет осуществляться внутрь плоскости (часов).

Для визуализации необходимо раздвинуть на правой руке большой, средний и указательный пальцы. Когда данное правило применяется в электродинамике, то можно получить следующее:

При смещении всех трех пальцев получаем движение по часовой стрелке, а также сумму произведений всех векторов.

Базис

Базис — несколько векторов, расположенных в пространстве. При этом вектора базиса представляют собой упорядоченный набор. При таком условии любой из векторов может быть один раз представлен в виде линейной комбинации всех векторов из этого набора. Мнемонический алгоритм базиса следующий: буравчик закручивается в правую сторону, при этом базис X движется по короткому пути к базису Y, а значит по направлению к базису Z.

Для правила правой руки это будет выглядеть так:

Для базисов также можно использовать правило часового циферблата, но только с использованием трех стрелок и при направленности вращения в правую сторону. Левая направленность учитывается только при конкретно поставленном условии.

Соленоид

Правило правой руки также позволяет определить, какое направление имеет магнитное поле в соленоидах и катушках индуктивности. Катушки также состоят из провода, но отличие заключается в том, что этот провод смотан в спираль, а значит не имеет прямой направленности. Так же при наличии магнитного сердечника, который взаимодействует с током, значение силы магнитного поля значительно увеличивается. Для того чтобы определить направленность линий магнитного поля в соленоиде, необходимо:

Данное правило трактуется следующим образом: в катушке имеется вектор магнитной индукции «B», направление которого совпадает с направлением большого пальца. 4 удерживающих катушку пальца указывают на направление протекания электрического тока. Данное правило так же основано на правостороннем закручивании буравчика. Такая направленность может использоваться при выполнении различных экспериментов, когда не требуется расчет и использованием левосторонней направленности, которую учитывают предварительно.

Правило для угловой скорости

Принцип правила правой руки можно применить, если требуется определить угловую скорость вращающегося объекта. Для начала необходимо учесть:

Все эти параметры связаны между собой векторным произведением. Формула, которой мы пользуемся для этого произведения будет следующей:

Формулировка угловой скорости, при использовании правила буравчика звучит так. Если вращать буравчик в ту сторону, куда вращается тело, то направление завинчивания покажет направление угловой скорости данного тела. В случае правого вращения буравчика угловая скорость будет направлена в правую сторону и наоборот.

С помощью правила правой руки эта формулировка трактуется более просто: если зажать в правую руку вращающееся тело, то большой палец укажет вектор направления угловой скорости, а 4 остальных пальца укажут на направление вращения.

Момент силы

Правило буравчика применимо для определения момента силы. Расчет момента силы производится по следующей формуле:

В данном выражении используются следующие величины:

Правило для буравчика применяемое к моменту силы трактуется так: если буравчик вкручивается по направлению, в котором силы пытаются провернуть тело, он будет вкручиваться именно по направлению момента действующих сил. Например, при завинчивании шурупа, он будет вкручиваться по направлению вращения рукоятки отвертки, так как это направление создается силой движения руки человека.

Момент силы можно определить визуально. Применяемый в таком случае вариант правила правой руки будет следующим: если взять в правую руку предмет, сдавить его и выставить вперед большой палец, то 4 пальца укажут на направление кругового движения тела, а большой палец на направление момента силы.

Левая рука

Правило левой руки сильно отличается от правила буравчика. При помощи его определяют силу, действующую на проводник. Данный принцип применяет физика для следующих физических законов:

Далее будет дана трактовка двух правил левой руки.

Закон Ампера

Принцип левой руки для закона Ампера гласит: если проводник находится между двумя магнитами, на него действует электромагнитная сила, выталкивающая заряд или смещающая проводник с заданного положения.

При помощи левой руки можно проще описать это правило: ладонь принимает горизонтальное положение. В этот момент магнитная индукция будет перпендикулярна ладони. В таком положении отогнутый на 900 большой палец показывает направленность действующей силы, а остальные пальцы показывают направление электротока в проводнике.

При расчете силы Ампера используем следующую формулу:

В этой формуле используются следующие величины:

Данный закон применяется при конструировании электрических двигателей и генераторов переменного тока.

Сила Лоренца

Правило левой руки позволяет отобразить направление силы Лоренца. Данный параметр определяет величину воздействия магнитного поля на заряженные частицы в проводнике. С помощью простых слов данное физическое явление можно трактовать следующим образом: на движущиеся заряженные частицы оказывает воздействие магнитная индукция. Направление действия этих сил строго перпендикулярно направлению движения частиц.

Используя левую руку можно визуально определить направленность воздействия линий магнитной индукции. Делается это следующим образом:

Сила Лоренца рассчитывается по следующей формуле:

При расчете учитывается параметр частиц, которые протекают по проводнику. Также, учитывается направление движения частиц.

Заключение

Буравчик и его правило вращения помогают визуально представить многие физические законы. Для этого правила основополагающим является направление движения, на которое указывает большой палец. Эти простые правила можно легко использовать в повседневной жизни. Они облегчат понимание физических законов школьникам, помогут решить многие задачи.

Видео по теме

Источник

Правило буравчика для чего

В узком понимании, правило буравчика – это мнемонический алгоритм, применяемый для определения пространственного направления магнитной индукции, в зависимости от ориентации электрического тока, возбуждающего магнитное поле.

Данное правило можно сформулировать следующим образом: Если острие буравчика (штопора, винта) направить вдоль вектора тока, то ориентация линий магнитной индукции совпадёт с направлением, в сторону которого вращается ручка буравчика в традиционном исполнении этого инструмента (с правым винтом).

Главное правило

Рассмотренный нами пример является частным случаем алгоритма буравчика. Существует несколько вариантов формулировок правила, применяемых в различных ситуациях.

Общая, или главная формулировка, позволяет распространить данное правило на все случаи. Это вариант мнемонического правила, используемый для определения ориентации результирующей векторного произведения, называемого аксиальным вектором, а также для выбора связанного с этими векторами правого базиса (трёхмерной системы координат), что позволяет определить знак аксиального вектора.

Примечание: правый базис – условное соглашение, согласно которому выбирается декартовая система координат (положительный базис). Иногда полезно пользоваться зеркальным отражением декартовой системы (левый или отрицательный базис).

Главное правило позволяет определить направление в пространстве аксиальных векторов, важных для вычислений:

Хотя ориентация аксиального вектора является условной, она важна для расчётов: придерживаясь принятого алгоритма выбора, легче производить вычисления, без риска перепутать знаки.

Во многих случаях применяют специальные формулировки, хорошо описывающие частные случаи в конкретной ситуации.

Правило правой руки

В электротехнике очень часто применяют интерпретацию буравчика для правой руки.

Действия можно сформулировать так: «Если отведённый в сторону большой палец правой руки расположить вдоль проводника так, чтобы он совпал с направлением электрического тока, то остальные пальцы будут указывать направление образованных электрическим полем магнитных силовых линий.

Сформулированные выше алгоритмы применяются и для соленоидов. Но разница в том, что в случае с соленоидом, рукоятку буравчика вращают так, чтобы это движение совпадало с направлением токов в витках, а продвижение винта буравчика указывает на ориентацию вектора магнитных линий в соленоиде.

При использовании правой руки, пальцами охватывают (условно) катушку так, чтобы направление тока в витках совпадало с пространственным расположением пальцев. Тогда большой палец укажет на ориентацию вектора электромагнитных линий внутри катушки. На рисунке изображены схемы, объясняющие алгоритмы определения направлений векторов для соленоидов.

Не трудно догадаться, что данные правила можно применять с целью определения направления тока. Например, если с помощью магнитной стрелки определить устремление линий магнитной индукции, то путём применения правила буравчика (как вариант его формулировки для правой руки), легко определяется, в какую сторону течёт ток.

Специальные правила

Рассмотрим варианты главного правила буравчика для частных случаев. Применение таких правил часто упрощает процесс вычислений.

Для векторного произведения

Расположите векторы так, чтобы их начальные точки совпадали. Для этой ситуации правило буравчика звучит так:

Если один из векторов сомножителей вращать кратчайшим способом до совпадения направлений со вторым вектором, то буравчик, вращающийся подобным образом, будет завинчиваться в сторону, куда указывает векторное произведение.

По циферблату часов

При расположении векторов способом совпадения их начальных точек можно определить направление вектора-произведения с помощью часовой стрелки. Для этого необходимо мысленно двигать кратчайшим путём один из векторов-сомножителей в сторону другого вектора. Тогда, если смотреть со стороны вращения этого вектора по часовой стрелке, то аксиальный вектор будет направлен вглубь циферблата.

Правила правой руки, для произведения векторов

Существует два варианта правила.

Первый вариант:

Если согнутые пальцы правой руки направить в сторону кратчайшего пути для совмещения вектора-сомножителя с другим сомножителем (векторы выходят из одной точки), то отведенный в сторону большой палец укажет направление аксиального вектора.

Второй вариант:

Если правую ладонь расположить таким образом, чтобы получилось совпадение большого пальца с первым вектором-сомножителем, а указательного – со вторым, то отведённый в сторону средний палец совпадёт с направлением вектора произведения.

Для базисов

Перечисленные выше правила применяются также для базисов.

Например, правило буравчика для правого базиса можно записать так:

При вращении ручки буравчика и векторов таким образом, чтобы первый базисный вектор по кратчайшему пути стремился ко второму, то штопор будет завинчиваться в сторону третьего базисного вектора.

Указанные правила универсальны. Их можно переписать для механики с целью определения векторов:

Правила буравчика применяются также для уравнений Максвелла, что усиливает их универсальность.

Правило левой руки

В электротехнике довольно часто возникают вопросы, связанные с определением силы Ампера. Для решения задач подобного рода применяется алгоритм, называемый правилом левой руки – мнемоническое правило, описывающее способ
определения направленности Амперовой силы, выталкивающей точечный заряд либо проводник, по которому протекает электроток.

Алгоритм применения левой руки состоит в следующем: если левую ладонь будут перпендикулярно пронизывать силовые линии, а пальцы расположатся по направлению тока, то действующие на проводник силы будут устремляться в сторону, куда указывает оттопыренный большой палец.

Интерпретация для точечного заряда

Заметим, что сформулированное правило справедливо для решения задач по определению ориентации силы Лоренца. Перефразируем правило: если ладонь левой руки поместить в магнитное поле таким образом, чтобы линии индукции перпендикулярно входили в неё, а выпрямленные пальцы направить в сторону движения положительного заряда, то направление вектора силы Лоренца совпадёт с отставленным на 90º большим пальцем.

Визуальная интерпретация правила левой руки представлена. Обратите внимание на то, что алгоритм действий для определения сил Ампера и Лоренца практически одинаков.

Примечание: В случае с отрицательным зарядом вытянутые пальцы направляют в сторону, противоположную движению частицы.

Полезные сведения и советы

Советы: если вам необходимо определить пространственное расположение момента силы, под действием которой происходит вращение некоего тела – вращайте винт в ту же сторону. Условное врезание винта укажет на ориентацию вектора момента силы. Скорость вращения тела не влияет на направление вектора.

Полезно знать, что при вращении буравчика по ходу вращения тела, траектория его ввинчивания совпадёт с направлением угловой скорости.

Мнемонические правила для отдельных случаев

Представленные технологии не обязательны для использования при решении практических задач. Правило правой руки в физике используют в качестве вспомогательного инструмента. Вычисления делают с применением стандартных методик векторной алгебры. Однако достаточно часто требуется ускоренное уточнение направления магнитных линий либо иного параметра. Не всегда нужны сведения о силе токе в амперах, другие точные данные. В подобных ситуациях пригодятся правила буравчика по физике.

Для угловой скорости

Для рассмотрения механических систем часто приходится оперировать с выражениями угловой скорости (w) и перемещения (v). По движению буравчика определяют направление вектора w.

Для момента импульса

Этот же принцип используют для уточнения параметров момента импульса (L), который зависит от общей массы и ее распределения в исследуемом объекте. Однако выяснить направление вектора можно с применением простого правила буравчика.

Для момента сил

По классическому определению вращающий момент (M) равен произведению векторов силы (F) и радиуса (r), который соединяет точки оси вращения и места приложения соответствующего воздействия. Для расчетов применяют сложные вычисления с использованием интегралов и угловых проекций. Движение тела будет соответствовать перемещению буравчика. Подразумевается вращение рукоятки его в сторону соответствующего момента сил.

Магнитостатика и электродинамика

Земля создает мощное поле, защищающее людей от солнечной радиации. Под его воздействием стрелка компаса перемещается в определенное положение. Ток, проходящий через проводник, создает силовое воздействие для вращения двигателя. Обратный алгоритм действий применяют для генерации электроэнергии. Отмеченные процессы можно сформулировать и описать комплексом уравнений. Правило правой руки позволяет определить отдельные параметры в электродинамике без лишних сложностей.

Магнитная индукция

Рассматриваемое явление открыто в начале 19 века. Основные зависимости физических величин определены законом Фарадея:

Позднее были определена зависимость ЭДС не только от формы силы внешнего воздействия. Ток появляется и в проводнике, который движется в стабильном магнитном поле. Био-Савар установил векторную зависимость экспериментально. Позднее Лаплас сделал общее определение и уточнил принципы вычислений для перемещающего единичного заряда. Эти постулаты стали основой современной магнитостатики.

В приведенном выражении «минус» перед второй частью объясняется условием противоположной направленности линий соответствующего магнитного потока (закон Лоренца) току в проводнике.

Для упрощенного рассмотрения методики правило буравчика кратко будет обозначаться далее в тексте аббревиатурой «ПБ». Правило левой руки или правой – «ПЛР» или «ППР», соответственно. Иные сокращения для обозначения направлений:

Для тока в проводнике, движущемся в магнитном поле

Уравнения Максвелла

В этом случае применяют возможность выражения операции ротора через произведение двух векторов. Для простоты понимания можно представить вращающуюся жидкую среду обладающей определенной угловой скоростью.

Методы определения базовых параметров

Правило буравчика

Магнитное поле электрического тока

Вокруг проводника с током образуется магнитное поле, так что свободно вращающаяся магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника, будет стремиться занять положение, перпендикулярное плоскости, проходящей вдоль него. В этом легко убедиться, проделав следующий опыт.Магнитное поле прямого проводника с током В отверстие горизонтально положенного листа картона вставляют прямолинейный проводник и пропускают через него ток. Насыпают на картон железные опилки и убеждаются в том, что они располагаются концентрическими окружностями, имеющими общий центр в точке пересечения проводником картонного листа. Магнитная стрелка, подвешенная на нити вблизи этого проводника, займет положение, указанное на рисунке. При изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка повернется на угол 180°, оставаясь в положении, перпендикулярном плоскости, проходящей вдоль проводника. В зависимости от направления тока в проводнике направление магнитных линий образуемого им магнитного поля определяется правилом буравчика, которое формулируется следующим образом:

Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление магнитных линий поля, образующегося вокруг этого проводника.

Если по проволоке, согнутой в виде кольца, пропустить ток, то под действием его также возникнет магнитное поле. Проволока, согнутая спирально и состоящая из нескольких витков, расположенных так, что оси их совпадают, называется соленоидом.

Магнитное поле соленоида

При прохождении тока через обмотку соленоида или один виток проволоки возбуждается магнитное поле. Направление этого поля также определяется правилом буравчика. Если расположить ось буравчика перпендикулярно плоскости кольцевого проводника или вдоль оси соленоида и вращать его рукоятку по направлению тока, то поступательное движение этого буравчика укажет направление магнитных линий поля кольца или соленоида. Магнитное поле, возбужденное током обмотки соленоида, подобно магнитному полю постоянного магнита, т. е. конец соленоида, из которого выходят магнитные линии, является его северным полюсом, а противоположный конец — южным. Направление магнитного поля зависит от направления тока и при изменении направления тока в прямолинейном проводнике или в катушке изменится также направление магнитных линий поля, возбуждаемого этим током. В однородном магнитном поле во всех точках поле имеет одинаковое направление и одинаковую интенсивность. В противном случае поле называется неоднородным. Графически однородное магнитное поле изображают параллельными линиями с одинаковой плотностью, например, в воздушном зазоре между двумя разноименными параллельно расположенными полюсами магнита.

Связь магнитного поля с правилами

В этой части публикации рассматриваются электрические величины. Поэтому следует напомнить о направлении течения тока в проводке – от «плюса» источника питания к «минусу». От контрольной точки с большим потенциалом (ϕ1=10 B) – к месту измерения с относительно меньшим (ϕ1= 5 B).

Кольцевая проводящая конструкция

На иллюстрации представлена кольцевая конструкция. Для уточнения характеристик системы в соответствии с базовыми правилами винт вкручивают с учетом реального направления силовых линий. Вращение рукоятки соответствует току в проводе, подключенному к источнику питания.

Пояснение правила

В этом примере необходимо выяснить направление вектора (В) магнитной индукции и соответствующую конфигурацию линий силового поля. Для проверки сжимают руку в кулак. Один палец ставят вертикально – известный жест «Класс!». Он будет соответствовать движению тока. Вектор, обозначающий магнитное поле, совпадает с положением четырех сжатых пальцев.

Важно! Нельзя прикасаться к проводнику под напряжением при проведении эксперимента, чтобы исключить поражение электротоком. Для наглядности опыт можно повторить с железными опилками

Гранулы рассыпают на плоской поверхности. Допустимо использование листа картона, другого материала с нейтральными по отношению к электромагнитным полям свойствами. В центре перпендикулярно устанавливают провод. После подключения к источнику тока можно наблюдать распределение полос, которое соответствует линиям созданного силового поля.

Для наглядности опыт можно повторить с железными опилками. Гранулы рассыпают на плоской поверхности. Допустимо использование листа картона, другого материала с нейтральными по отношению к электромагнитным полям свойствами. В центре перпендикулярно устанавливают провод. После подключения к источнику тока можно наблюдать распределение полос, которое соответствует линиям созданного силового поля.

К сведению. По рассмотренной схеме определяют полюса катушки, подключенной к источнику питания. Пользуются стандартным алгоритмом ППР. Отогнутый большой палец будет показывать на северный полюс.

Электродинамика и магнитостатика

Магнитная индукция представляет собой векторный фактор, который характеризует силовое поле. Величина показывает влияние магнитного фона на отрицательно и положительно заряженные частицы в исследуемом пространстве. Индукция определяет силу влияния поля на заряд, перемещающийся с заданной скоростью. Для этого случая законы применения описываются так:

Для подвижного проводника

В стержне из металла находится большое число свободных электронов, движение которых характеризуется как хаотичное. Если катушка движется в силовом электромагнитном поле вдоль линий, то фон отклоняет электроны, перемещающиеся одновременно с проводником. Их движение создает ЭДС (электродвижущую силу) и называется электромагнитной наведенной индукцией.

Ток будет протекать под действием разности потенциалов при подсоединении такой катушки к внешней цепи по замкнутому контуру. При передвижении стержня по направлению силовых линий снижается до нуля воздействие поля на заряды. Не возникает электродвижущая сила, нет напряжения, отсутствует ток электронов.

ЭДС индукции равняется произведению рабочего размера проводника, скорости движения стержня и значения магнитной индукции. Ее направление устанавливается по закону правой руки. Ладонь располагается так, чтобы в нее были направлены линии силового поля, а отогнутый под 90° большой палец ставится вдоль движения стержня. В этом положении четыре распрямленных пальца покажут курс тока индукции.

Видео по теме

Источник