Направление тока и линий его магнитного поля. Правило буравчика

Магнитное поле

Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов

.

Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем

.

Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами
(северный и южный)
. Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B

. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (
линии магнитной индукции
). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.

Направление тока и линий его магнитного поля. Правило буравчика

Исследования Ампера…

принадлежат к числу самых

блестящих работ, которые

проведены когда-либо в науке.

Джеймса Клерка Максвелла

Магнитное поле

— это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды.

Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями Магнитные линии

— это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.

Замкнутость линий магнитного поля представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля.

Оно свидетельствует о том, что
магнитных зарядов
, подобных электрическим,
в природе нет
.

За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

Теперь разберём, от чего зависит направление линий магнитного поля тока более подробно.

Известно, что для получения спектра магнитного поля прямого проводника с током, его можно пропустить через лист картона, а на картон насыпать железные опилки. Под действием магнитного поля железные опилки располагаются по концентрическим окружностям. Поместим вдоль линий магнитного поля магнитные стрелки.

На рисунке показано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током, перпендикулярного плоскости чертежа. Если изменить направление тока в проводнике, то можно увидеть, что изменение направления тока приводит к повороту всех магнитных стрелок на 1800. Причем оси стрелок располагаются по касательной к магнитным линиям

.

Т.о. можно сделать вывод, что направление линий магнитного поля будет зависеть от направления тока в проводнике

.

Эта связь может быть выражена простым правилом, которое называют правилом буравчика (или правилом правого винта).

Правило буравчика заключается в следующем:

если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитного поля тока.

С помощью правила буравчика по направлению тока можно определить направление линий магнитного поля, создаваемого этим током, а по направлению линий магнитного поля — направление тока, создающего это поле.

Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться другим правилом, которое иногда называют правилом правой руки

.

Соленоид

— это катушка цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную друг к другу в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка.
Магнитное поле соленоида можно представить как результат сложения полей, создаваемых несколькими круговыми токами, имеющими общую ось.

На рисунке видно, что внутри соленоида линии магнитного поля каждого отдельного витка имеют одинаковое направление, тогда как между соседними витками они имеют противоположное направление. Поэтому, при достаточно плотной намотке соленоида, противоположно направленные участки линий магнитного поля соседних витков взаимно уничтожаться, а одинаково направленные участки сольются в общую линию.

Изучение этого поля с помощью железных опилок показало, что внутри соленоида магнитные линии поля представляют собой прямые, параллельные оси соленоида, которые расходятся на его концах и замыкаются вне соленоида

.

Зная направление тока в витке, полюсы соленоида можно определить с помощью правила правой руки

: если обхватить соленоид, ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Правило правой руки можно применять и для определения направления линий магнитного поля в центре одиночного витка с током.

Из курса физики 8 класса известно, что на всякий проводник с током, помещенный в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой.

Наличие такой силы можно показать с помощью установки. Проволочная трехсторонняя рамка ABCD подвешена на крюках так, что может свободно отклоняться от вертикали.

Сторона ВС находится в области наиболее сильного поля дугообразного магнита, располагаясь между его полюсами. Рамка присоединена к источнику тока последовательно с реостатом и ключом. При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и сторона ВС втягивается в пространство между полюсами.

Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник ВС двигаться не будет. Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения.

Таким образом, магнитное поле создается электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток

.

Если изменить направление тока в цепи, поменяв местами провода в гнездах изолирующего штатива, то, при этом, изменится и направление движения проводника, а значит, и направление действующей на него силы.

Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля).

Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки

, которое заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Пользуясь правилом левой руки, следует помнить, что за направление тока во внешней части электрической цепи

(т. е. вне источника тока)
принимаетсянаправление от положительного полюса источника тока к отрицательному
. Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи.

С помощью правила левой руки

можно определить направление
силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу
, как положительно, так и отрицательно заряженную. Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это
правило формулируется следующим образом
: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Следует отметить, что сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линией магнитной индукции или параллельны ей.

Основные выводы:

– Направление линий магнитного поля будет зависеть от направления тока в проводнике.

– Эта связь может быть выражена с помощью правила буравчика

(или
правила правого винта
): если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитного поля тока.

– Для определения направления линий магнитного поля соленоида

удобнее пользоваться
правилом правой руки
: если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

– Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Направление этой силы можно определить с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Магнитное поле проводника с током

А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед

и
Андре Мари Ампер
в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.

Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.

Определение формы магнитного поля

Как же «выглядит» магнитное поле? Давайте проведем простой опыт (рисунок 1).

У нас есть прямой проводник с током. Сделаем в листе картона отверстие и проденем через него наш проводник. На картон насыпем тонкий слой железных опилок и включим ток.

Что же мы увидим? Как теперь располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?

Рисунок 1. Расположение железных опилок в магнитном поле прямого тока

Под действием магнитного поля опилки примут интересное положение. Они теперь не беспорядочно лежат на листе картона, а располагаются вокруг проводника по концентрическим окружностям.

Направление вектора магнитной индукции

Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.

Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.

Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика

или правилу
правой руки
.

Как определить линейно-магнитную направленность

Чтобы определить куда направлены рассматриваемые линии, можно воспользоваться разными доступными способами. Подробнее, как определить направление магнитных линий будет рассказано далее.

Правило буравчика

Самый распространенный метод определения пути рассматриваемых прямых – правило буравчика. Впервые о нем заговорили еще в XIX столетии, когда ученые обнаружили магнитное поле вокруг проводника, подключенного к напряжению.

Силовые линии, которые образовались, имеют схожий характер поведения с естественным магнитом. Помимо этого, связь проводникового электрического поля с током МП стала первоисточником динамики электромагнитов.

Также при определении расположения можно найти такие осево-векторные показатели:

• магнитной индукции;
• размера и пути индукционного тока;
• угловой скорости.

Если совместить непрерывное движение буравчика с правой стороны с путем проводникового тока, удастся определить направление линий, о котором говорит путь движения рукоятки.

Данное правило не является общеузнаваемым, так как, по сути, не относится к известным физическим законам. Оно используется, чтобы определить не только путь силовых рассматриваемых прямых, зависящих от пути движения тока. Также его можно использовать для обнаружения направления тока в соленоидных проводах, когда линии магнитной индукции начнут двигаться.

Когда Ампер определил подобную связь, он смог объяснить закон полей, которые вращаются. Это стало причиной создания различных электрических двигателей. Во всей аппаратуре втягивающего типа применяется катушка индуктивности, которая работает по правилу буравчика.

«Правило правой руки»

Определение происходит без использования приборов, а всего лишь рукой. Если повернуть ладонь к полюсу с Севера, а большой палец отклонить под прямым углом, он покажет путь направления проводника. Это приведет к тому, что в замкнутом контуре магнитное поле будет обуславливать электричество, и четыре пальца покажут вектор движения тока.

С помощью этого правила определяется, как именно были созданы генераторы постоянного тока. Природное явление (ветряная погода или сильный поток воды) вращает контур проводников замкнутого типа в магнитном поле, что приводит к выработке энергии.

После двигатели, которые получили электрический ток, меняли его на механическое движение.

«Правило левой руки»

Еще один популярный метод, но уже с применением другой руки. Некоторые люди ошибочно приравнивают его к первому правилу. Для начала нужно выпрямить левую ладонь, и расположить ее вдоль проводника. Пальцы будут показывать, в какую сторону протекает ток. Сквозь раскрытую ладонь будут проходить линии МП. Большой палец повторяет вектор силы. Это основной смысл правила левой руки. Вышеуказанный силовой вектор – это сила Ампера.

Как видите, нет ничего сложного в определении направления индукции магнитного поля. Главное – вспомнить, о чем была школьная программа по физике. Вам не потребуются дополнительные приборы для измерения направлений силовых линий магнитного поля .

Достаточно воспользоваться правилом буравчика или методом одной из рук.

Вектор магнитной индукции

Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.

Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:

Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:

Индукция магнитного поля соленоида

(катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):

Связь направлений магнитных линий и направления электрического тока

Магнитные линии дают нам возможность изобразить магнитное поле графически.

На каком расстоянии от проводника мы можем нарисовать его магнитные линии? Ответ прост — для графического изображения мы можем использовать удобный для нас масштаб.

Магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током. Значит, мы можем правомерно провести магнитную линию через любую точку.

Хорошо, но как определить направление магнитных линий? Опыты показывают следующее:

Направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике.

Так как магнитные линии лежат в плоскости, перпендикулярной проводнику с током, на чертежах принято изображать сечение проводника (проводник в разрезе). Направление тока при этом условно обозначается крестиком, если ток направлен от нас, и точкой, если ток направлен на нас (рисунок 3).

Рисунок 3. Обозначения направления тока

Взгляните на рисунок 4, а. Ток течет вниз по проводнику. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий. Их оси ориентируется таким образом, как показано на рисунке.

Рисунок 4. Направление магнитных линий при движении тока вниз/от нас

Графическое изображение такого магнитного поля представлено на рисунке 4, б. Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости чертежа, как будто мы смотрим на него сверху, а не сбоку. Направление тока мы обозначили крестиком на самом проводнике (от нас), и указали направление магнитных линий (куда указывают северные полюса магнитных стрелок.

Теперь сделаем так, чтобы ток шел не вниз, а вверх. Что мы увидим? Магнитные стрелки снова расположились вдоль окружности, но ориентация их осей изменилась (рисунок 5, а). Теперь они развернулись на $180 \degree$ по сравнению с первой ситуацией, где ток шел вниз по проводнику.

Рисунок 5. Направление магнитных линий при движении тока вверх/к нам

На рисунке 5, б показано графическое изображение такого поля. Тот факт, что ток направлен к нам, условно обозначен точкой на проводнике. Направление магнитных линий поменялось на противоположное.

Такой простой опыт подтвердил нам тот факт, что направление магнитных линий связано с направлением тока.

Магнитное поле Земли

Земля является не только большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров.

Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Если компас разместить в магнитном поле Земли, то его северная стрелка ориентируется вдоль линий магнитной индукции в направлении южного магнитного полюса, то есть укажет нам, где располагается географический север.

Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени — вековые изменения

. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к прежним значениям. Такое резкое изменение влияет на самочувствие людей.

Магнитное поле Земли является «щитом», прикрывающего нашу планету от частиц, проникающих из космоса («солнечного ветра»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.

Определение

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) [ 1 ] (рис. 1.)

На рисунке 1 показана схема для простейшего случая: по прямому участку проводника, в сторону от наблюдателя протекает электрический ток (стрелка синего цвета). Условный штопор направлен своим острым концом по вдоль линии по направлению тока. Если представить поступательное движение буравчика вдоль проводника, то направление линий, описываемых рукояткой штопора, совпадут с ориентацией магнитных линий электрического поля.

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. (см. схему на рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация правила правой руки

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 3 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.