Правила рук в фізиці магнітне поле. Правило правої руки для прямого провідника. Список додаткової літератури

Правило свердлика - спрощена наочна демонстрація за допомогою однієї руки правильного множення двох векторів. геометрія шкільного курсумає на увазі обізнаність учнів про скалярном творі. У фізиці часто зустрічається векторне.

поняття вектора

Вважаємо, немає сенсу тлумачити правило гвинта при відсутності знання визначення вектора. Потрібно відкрити пляшку - знання про правильні дії допоможе. Вектором називають математичну абстракцію, котрої немає реально, виявляв зазначені ознаки:

1. Спрямований відрізок, що позначається стрілкою.
2. Точкою початку послужить точка дії сили, що описується вектором.
3. Довжина вектора дорівнює модулю сили, поля, інших описуваних величин.

Не завжди зачіпають силу. Векторами описується поле. найпростіший прикладпоказують школярам викладачі фізики. Маємо на увазі лінії напруженості магнітного поля. Уздовж зазвичай малюються вектори по дотичній. В ілюстраціях дії на провідник зі струмом побачите прямі лінії.

правило свердлика

Векторні величини часто позбавлені місця докладання, центри дії вибираються за домовленістю. Момент сили виходить з осі плеча. Потрібно для спрощення складання. Припустимо, на важелі різної довжини діють неоднакові сили, прикладені до плечей із загальною віссю. Простим додаванням, відніманням моментів знайдемо результат.

Вектори допомагають вирішити багато повсякденні завдання і, хоча виступають математичними абстракціями, діють реально. На основі ряду закономірностей можливо вести передбачення майбутнього поведінки об'єкта нарівні зі скалярними величинами: поголів'я популяції, температура довкілля. Екологів цікавлять напрямки, швидкість перельоту птахів. Переміщення є векторною величиною.

Правило свердлика допомагає знайти векторний добуток векторів. Це не тавтологія. Просто результатом дії виявиться теж вектор. Правило свердлика визначає напрям, куди стане вказувати стрілка. Що стосується модуля, потрібно застосовувати формули. Правило свердлика - спрощена чисто якісна абстракція складної математичної операції.

Аналітична геометрія в просторі

Кожному відома задачка: стоячи на одному березі річки, визначити ширину русла. Здається розуму незбагненним, вирішується в два рахунки методами найпростішої геометрії, яку вивчають школярі. Проробимо ряд нескладних дій:

1. Засікти на протилежному березі видатний орієнтир, уявну точку: стовбур дерева, гирло струмка, що впадає в потік.
2. Під прямим кутом лінії протилежного берега зробити зарубку на цій стороні русла.
3. Знайти місце, з якого орієнтир видно під кутом 45 градусів до берега.
4. Ширина річки дорівнює видалення кінцевої точки від зарубки.

Визначення ширини річки методом подібності трикутників

Використовуємо тангенс кута. Не обов'язково дорівнює 45 градусів. Потрібна велика точність - кут краще брати гострим. Просто тангенс 45 градусів дорівнює одиниці, Вирішення завдання спрощується.

Аналогічним чином вдається знайти відповіді на нагальні питання. Навіть в мікросвіті, керованому електронами. Можна однозначно сказати одне: непосвяченому правило гвинта, векторний добуток векторів видаються нудними, занудотними. Зручний інструмент, що допомагає в розумінні багатьох процесів. Більшості буде цікавим принцип роботи електричного двигуна (безвідносно до конструкції). Легко може бути пояснений використанням правила лівої руки.

У багатьох галузях науки бік-о-пліч ідуть два правила: лівої, правої руки. Векторний добуток іноді може описуватися так чи сяк. Звучить розпливчасто, пропонуємо негайно розглянути приклад:

• Припустимо, рухається електрон. Негативно заряджена частинка борознить постійне магнітне поле. Очевидно, траєкторія виявиться вигнута завдяки силі Лоренца. скептики заперечать, за твердженнями деяких вчених електрон не частинка, а скоріше, суперпозиція полів. Але принцип невизначеності Гейзенберга розглянемо іншим разом. Отже, електрон рухається:

Розташувавши праву руку, щоб вектор магнітного поля перпендикулярно входив в долоню, витягнуті пальці вказували напрямок польоту частки, відігнутий на 90 градусів в сторону великий палець витягнеться в напрямку дії сили. Правило правої руки, що є іншим виразом правило гвинта. Слова-синоніми. Звучить по-різному, по суті - одне.

• Наведемо фразу Вікіпедії, що віддає дивиною. При відображенні в дзеркалі права трійка векторів стає лівої, тоді потрібно застосовувати правило лівої руки замість правої. Летів електрон в одну сторону, за методиками, прийнятими у фізиці, ток рухається в протилежному напрямку. Немов відбився в дзеркалі, тому сила Лоренца визначається вже правилом лівої руки:

якщо розташувати ліву руку, Щоб вектор магнітного поля перпендикулярно входив в долоню, витягнуті пальці вказували напрямок течії електричного струму, відігнутий на 90 градусів в сторону великий палець витягнеться, вказуючи вектор дії сили.

Бачите, ситуації схожі, правила прості. Як запам'ятати, яке застосовувати? головний принципневизначеності фізики. Векторний добуток обчислюється в багатьох випадках, причому правило застосовується одне.

Яке правило застосувати

Слова синоніми: рука, гвинт, буравчик

Спочатку розберемо слова-синоніми, багато хто почав задаватися питанням: якщо тут розповідь має зачіпати буравчик, чому текст постійно стосується рук. Введемо поняття правої трійки, правої системи координат. Разом, 5 слів-синонімів.

Знадобилося з'ясувати векторний добуток векторів, виявилося: в школі це не проходять. З'ясуємо ситуацію допитливим школярам.

Декартова система координат

Шкільні графіки на дошці малюють в декартовій системі координат Х-Y. Горизонтальна вісь (позитивна частина) спрямована вправо - сподіваємося, вертикальна - вказує вгору. Робимо один крок, отримуючи праву трійку. Уявіть: з початку відліку в клас дивиться вісь Z. Тепер школярі знають визначення правої трійки векторів.

У Вікіпедії написано: допустимо брати ліві трійки, праві, обчислюючи векторний добуток, незгодні. Усманов в цьому плані категоричний. З дозволу Олександра Євгеновича наведемо точне визначення: векторних творомвекторів називають вектор, що задовольняє трьом умовам:

1. модуль твори дорівнює добуткумодулів вихідних векторів на синус кута між ними.
2. Вектор результату перпендикулярний вихідним (удвох утворюють площину).
3. Трійка векторів (по порядку згадування контекстом) права.

Праву трійку знаємо. Отже, якщо вісь Х - перший вектор, Y - другий, Z буде результатом. Чому назвали правою трійкою? Мабуть, пов'язано з гвинтами, буравчиками. Якщо закручувати уявний буравчик по найкоротшій траєкторії перший вектор-другий вектор, поступальний рух осі ріжучого інструменту стане відбуватися в напрямку результуючого вектора:

1. Правило свердлика застосовується до твору двох векторів.
2. Правило свердлика якісно вказує напрямок результуючого вектора цієї дії. Кількісно довжина знаходиться виразом, згаданим (твір модулів векторів на синус кута між ними).

Тепер кожному зрозуміло: сила Лоренца знаходиться згідно з правилом свердлика з лівосторонньої різьбленням. Вектори зібрані лівої трійкою, якщо взаємно ортогональні (перпендикулярні один одному), утворюється ліва система координат. На дошці вісь Z дивилася б в напрямку погляду (від аудиторії за стіну).

Прості прийоми запам'ятовування правил гвинта

Люди забувають, що силу Лоренца простіше визначати правилом свердлика з лівосторонньої різьбленням. Той, хто бажає зрозуміти принцип дії електричного двигуна повинен як двічі два клацати подібні горішки. Залежно від конструкції число котушок ротора буває значним, або схема вироджується, стаючи білячою кліткою. Шукають знання допомагає правило Лоренца, що описує магнітне поле, де рухаються мідні провідники.

Для запам'ятовування представимо фізику процесу. Припустимо, рухається електрон в полі. Застосовується правило правої руки для знаходження напрямку дії сили. Доведено: частка несе негативний заряд. Напрямок дії сили на провідник знаходиться правилом лівої руки, згадуємо: фізики абсолютно з лівих ресурсів взяли, що електричний струм тече в напрямку протилежному тому, куди попрямували електрони. І це неправильно. Тому доводиться застосовувати правило лівої руки.

Не завжди варто йти такими нетрями. Здавалося б, правила більше заплутують, не зовсім так. Правило правої руки часто застосовується для обчислення кутової швидкості, Яка є геометричним творомприскорення на радіус: V = ω х r. Багатьом допоможе візуальна пам'ять:

1. Вектор радіуса траєкторії спрямований з центру до окружності.
2. Якщо вектор прискорення направлений вгору, тіло рухається проти годинникової стрілки.

Подивіться, тут знову діє правило правої руки: якщо розташувати долоню так, щоб вектор прискорення входив перпендикулярно в долоню, пальці витягнути у напрямку радіусу, відігнутий на 90 градусів великий палець вкаже напрям руху об'єкту. Досить одного разу намалювати на папері, запам'ятавши мінімум на половину життя. Картинка дійсно проста. Більше на уроці фізики не доведеться ламати голову над простим питанням - напрямок вектора кутового прискорення.

Аналогічним чином визначається момент сили. Виходить перпендикулярно з осі плеча, збігається напрямком з кутовим прискоренням на малюнку, описаному вище. Багато запитають: навіщо потрібно? Чому момент сили не скалярна величина? Навіщо напрямок? В складних системахнепросто простежити взаємодії. Якщо багато осей, сил, допомагає векторне складання моментів. Можна значно спростити обчислення.

Тим, кому в школі погано давалася фізика, правило гвинта і сьогодні - справжнісінька «терра інкогніта». Особливо якщо спробувати знайти визначення відомого закону в Мережі: пошукові системитут же видадуть безліч модерних наукових поясненьзі складними схемами. Однак цілком можливо коротко і зрозуміло пояснити, в чому ж воно полягає.

У чому полягає правило гвинта

Буравчик - інструменту для свердління отворів

Воно звучить так:у випадках, коли напрямок гвинта збігається з напрямком струму в провіднику під час поступальних рухів, то одночасно ідентичним йому буде і напрямок обертання ручки свердлика.

У пошуках напрямки

Щоб розібратися, доведеться все-таки згадати шкільні уроки. На них вчителі фізики розповідали нам про те, що електрострум - це рух елементарних частинок, Які при цьому несуть свій заряд по проводить матеріалу. Завдяки джерелу рух частинок в провіднику - спрямоване. Рух, як відомо, життя, а тому навколо провідника виникає не що інше, як магнітне поле, і воно теж обертається. Але як?

Відповідь дає саме це правило (без використання будь-яких спеціальних інструментів), і результат виявляється дуже цінним, адже в залежності від напрямку магнітного поля парочка провідників починає діяти за зовсім різними сценаріями: або відштовхуватися один від одного, або, навпаки, прагнути назустріч.

Використання

Найпростіший спосіб визначення шляху рухів ліній магнітного поля - застосування правила свердлика

Уявити це можна і так - на прикладі власної правої руки і самого звичайного дроту. Провід кладемо в руку. Чотири пальці міцно стискаємо в кулак. Великий палець вказує вгору - на зразок жесту, яким ми демонструємо, що нам щось подобається. У даній «розкладці» великий палець чітко вкаже напрямок руху струму, тоді як інші чотири - шлях рухів ліній магнітного поля.

Правило цілком можна застосувати в житті. Фізикам воно необхідне для того, щоб визначити напрямок магнітного поля струму, розрахувати механічне обертання швидкості, вектор магнітної індукції і момент сил.

До речі, про те, що правило може бути застосовано до самих різних ситуаційговорить і те, що існує відразу кілька його тлумачень - в залежності від розглянутого кожного конкретного випадку.

За допомогою правила свердлика визначають напрямки магнітних ліній (по-іншому їх ще називають лінії магнітної індукції) навколо провідника зі струмом.

Правило свердлика: визначення

Саме правило звучить так: коли напрямок гвинта, що рухається поступально, збігається з напрямком струму в досліджуваному провіднику, напрямок обертання ручки цього гвинта таке ж, як і напрямок магнітного поля струму.

Його ж називають - правило правої руки і в цьому контексті визначення куди зрозуміліше. Якщо обхопити провід правою рукою так, щоб чотири пальці були стиснуті в кулак, а великий вказував вгору (тобто так, як ми зазвичай показуємо рукою «клас!»), То великий палець вкаже, в якому напрямку рухається ток, а інші чотири пальці - напрямок ліній магнітного поля

Під буравчком увазі гвинт з правого різьбленням. Вони в техніці є стандартом, тому що являють вчинене більшість. До слова, це ж правило можна було б сформулювати і на прикладі руху годинникової стрілки, тому як гвинт з правого різьбленням закручується саме в цьому напрямку.

Застосування правила свердлика

У фізиці правило гвинта застосовують не тільки для визначення напрямку магнітного поля струму. Так, наприклад, воно відноситься і до обчислення напрямки аксіальних векторів, вектора кутової швидкості, вектора магнітної індукції B, напрямки індукційного струмупри відомому векторі магнітної індукції і багатьох інших варіантах. Але для кожного такого випадку правило має своє формулювання.

Так, наприклад, для обчислення вектора твори він звучить так: якщо зобразити вектори так, щоб вони збігалися на початку, і рухати перший вектор-співмножник до другого вектору-співмножників, то буравчик, що рухається таким же чином, загвинтити в сторону вектора-добутку.

Або ось так буде звучати правило гвинта для механічного обертання швидкості: якщо обертати гвинт в тому ж напрямку, в якому обертається тіло, він загвинтити в бік напрямку кутової швидкості.

Так виглядає правило гвинта для моменту сил: при обертанні гвинта в тому ж напрямку, в якому сили повертають тіло, буравчик загвинтити в бік напрямку цих сил.

Тест з фізики Правило лівої руки. Виявлення магнітного поля по його дії на електричний струм для учнів 9 класу з відповідями. Тест включає в себе 10 завдань з вибором відповіді.

1. Напрямок струму в магнетизм збігається з напрямком руху

1) електронів
2) негативних іонів
3) позитивних частинок
4) серед відповідей немає правильного

2. Квадратна рамка розташована в однорідному магнітному полі так, як показано на малюнку. Напрямок струму в рамці показано стрілками.

Сила, що діє на нижню сторону рамки, спрямована

3. Електричне коло, що складається з чотирьох прямолінійних горизонтальних провідників (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) і джерела постійного струму, знаходиться в однорідному магнітному полі, силові лінії якого спрямовані вертикально вгору (див. Рис., Вид зверху).

1) горизонтально вправо
2) горизонтально вліво
3) вертикально вгору
4) вертикально вниз

4. Електричне коло, що складається з чотирьох прямолінійних горизонтальних провідників (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) і джерела постійного струму, знаходиться в однорідному магнітному полі, лінії якого спрямовані горизонтально вправо (див. Рис., Вид зверху ).

5. В основі роботи електродвигуна лежить

1) дія магнітного поля на провідник з електричним струмом
2) електростатичне взаємодія зарядів
3) явище самоіндукції
4) дія електричного поляна електричний заряд

6. Основне призначення електродвигуна полягає в перетворенні

1) механічної енергіїв електричну енергію
2) електричної енергії в механічну енергію
3) внутрішньої енергії в механічну енергію
4) механічної енергії в різні види енергії

7. Магнітне поле діє з ненульовий по модулю силою на

1) спочивають атом
2) спочивають іон
3) іон, що рухається уздовж ліній магнітної індукції
4) іон, що рухається перпендикулярно лініям магнітної індукції

8. Виберіть вірне (-і) твердження (-я).

А. для визначення напрямку сили, що діє на позитивно заряджену частинку, слід чотири пальці лівої руки розташовувати по напрямку швидкості частинки
Б. для визначення напрямку сили, що діє на негативно заряджену частинку, слід чотири пальці лівої руки розташовувати проти напрямку швидкості частинки

1) тільки А
2) тільки Б
3) і А, і Б
4) ні А, ні Б

9. Позитивно заряджена частинка, що має горизонтально спрямовану швидкість v

1) Вертикально вниз
2) Вертикально вгору
3) На нас
4) Від нас

10. Негативно заряджена частинка, що має горизонтально спрямовану швидкість v, Влітає в область поля перпендикулярно магнітним лініям. Куди спрямована діє на частинку сила?

1) До нас
2) Від нас
3) Горизонтально вліво в площині малюнка
4) Горизонтально вправо в площині малюнка

Відповіді на тест з фізики Правило лівої руки Виявлення магнітного поля по його дії на електричний струм
1-3
2-4
3-2
4-3
5-1
6-2
7-4
8-3
9-4
10-2

З фізики за 11 клас (Касьянов В.А., 2002 рік),
задача №32
до глави « Магнетизм. Магнітне поле. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ».

Вектор магнітної індукції

Електричний струм надає магнітне дію Таким чином, магнітне поле породжується рухомими зарядами.

Вектор магнітної індукції- векторна фізична величина, Напрямок якої в даній точці збігаються з напрямом, вказаним в цій точці північним полюсом вільної магнітної стрілки.

Модуль вектора магнітної індукції- фізична величина, що дорівнює відношенню максимальної сили, що діє з боку магнітного поля на відрізок провідника зі струмом, до твору сили струму і довжини відрізка провідника:

Одиниця магнітної індукції - тесла (1 Тл).

Правило свердлика для прямого струму:якщо закручувати буравчик у напрямку струму в провіднику, то напрям швидкості руху кінця його рукоятки збігається з напрямком вектора магнітної індукції в цій точці.

Правило правої руки для прямого струму:якщо охопити провідник правою рукою, направивши відігнутий великий палець уздовж струму, то кінчики інших пальців в даній точці покажуть напрямок вектора індукції в цій точці.

Принцип суперпозиції магнітних полів:результуюча магнітна індукція в даній точці складається з векторів магнітної індукції, створеної різними струмами в цій точці:

Правило свердлика для витка зі струмом (контурного струму):якщо обертати рукоятку гвинта у напрямку струму в витку, то поступальне переміщення свердлика збігається з напрямом вектора магнітної індукції, створеної струмом в витку на своїй осі.

Лінії магнітної індукції- лінії, дотичні до яких в кожній точці збігаються з напрямом вектора магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті: вони не мають початку і кінця. Магнітне поле - вихровий поле, тобто поле з замкнутими лініямимагнітної індукції

Магнітний потік (потік магнітної індукції)через поверхню певної площі - фізична величина, що дорівнює скалярному добутку вектора магнітної індукції на вектор площі:

Одиниця магнітного потоку - вебер (1 Вб) 1 Вб = 1 Тл.м 2.

Закон Ампера:сила, з якою магнітне поле діє на поміщений в нього відрізок провідника зі струмом, дорівнює добутку сили струму, магнітної індукції, довжини відрізка провідника і синуса кута між напрямками струму і вектором магнітної індукції:

В однорідному магнітному полі замкнутий контур прагне встановитися так, щоб напрямок його власної індукції співпало з напрямком зовнішньої індукції.

сила Лоренца- сила, що діє на рухому зі швидкістю v заряджену частинку з боку магнітного поля В:

де q - заряд частинки, а - кут між швидкістю частки і індукцією магнітного поля.

Напрямок сили Лоренца визначає правило лівої руки:якщо кисть лівої руки розташувати так, щоб чотири витягнутих пальці вказували напрямок швидкості позитивного заряду (або протилежне швидкості негативного заряду), а вектор магнітної індукції входив в долоню, то відігнутий (в площині долоні) на 90 ° великий палець покаже напрям сили, що діє на даний заряд.

Заряджена частинка, влітає в однорідне магнітне поле паралельно лініям магнітної індукції, рухається рівномірно уздовж цих ліній. Заряджена частинка, влітає в однорідне магнітне поле в площині, перпендикулярній лініям магнітної індукції, рухається в цій площині по колу. Паралельно розташовані провідники, по яких протікають струми в одному напрямку, притягуються, а в протилежних - відштовхуються. Магнітні поля, створювані струмами I 1, I 2, що протікають по нескінченно довгим паралельним провідникам, які перебувають на відстані r один від одного, призводять до виникнення на кожному відрізку провідників довжиною Δl сили взаємодії

де k m - коефіцієнт пропорційності, k m = 2 10 -7 Н / А 2

Одиниця сили струму - ампер (1 А) Сила постійного струму дорівнює 1 А, якщо струм, протікаючи по двох паралельних провідниках нескінченної довжини і мізерно малу площу кругового поперечного перерізу, розташованим у вакуумі на відстані 1 м один від іншого, викликає на відрізку провідника довжиною 1 м силу взаємодії, еквівалентну 2 10 -7 Н

Індукція магнітного поля убуває при збільшенні відстані до провідника зі струмом Взаємодія провідників зі струмом є наслідком магнітного взаємодіїрухомих зарядів в провідниках Під дією магнітної сили рухомі паралельно в протилежних напрямках різнойменні заряди притягуються, а однойменні - відштовхуються

індуктивність контуру(Або коефіцієнт самоіндукції) - фізична величина, що дорівнює коефіцієнту пропорційності між магнітним потоком через площу, обмежену контуром провідника, і силою струму в контурі. Одиниця індуктивності - генрі (1 Гн)

Енергія магнітного поля,створеного при протіканні сили струму I по провіднику з індуктивністю L, дорівнює

Магнітна проникність середовища- фізична величина, що показує у скільки разів індукція магнітного поля в однорідному середовищі відрізняється від магнітної індукції зовнішнього (намагнічує) поля в вакуумі.

Діамагнетик, парамагнетики, феромагнетики- основні класи речовин з різко відрізняються магнітними властивостями

Діамагнетік-речовина, в якому зовнішнє магнітне поле незначно послаблюється (μ<= 1)

Парамагнетік-речовина, в якому зовнішнє магнітне поле незначно посилюється (μ> = 1)

феромагнетик- речовина, в якому зовнішнє магнітне поле значно посилюється (μ >> 1)

крива намагнічування- залежність власної магнітної індукції від індукції зовнішнього магнітного поля

коерцитивна сила- магнітна індукція зовнішнього поля, необхідна для розмагнічування зразка

Магніто-тверді ферромагнетики- ферромагнетики з великою залишковою намагніченістю Магніто-м'які ферромагнетики- ферромагнетики з малою залишковою намагніченістю петля гістерезису- замкнута крива намагнічування і розмагнічування феромагнетика температура Кюрі- критична температура, вище якої відбувається перехід речовини з феромагнітного стану в парамагнітне