Правило буравчика
Содержание
Для корректной оценки некоторых процессов учитывают направление силовых линий, полярность, угловую скорость. При создании запорного устройства на основе соленоида, например, нужно правильно определить, в какую сторону будет перемещаться сердечник после подключения источника тока. Правило буравчика поможет решать подобные задачи быстро и точно, без сложных вычислений.
Специальные правила упрощают определение параметров электромагнитного поля
Общее (главное) правило
Рассматриваемая методика применима не только для решения электротехнических задач. Общие принципы справедливы для многих процессов, которые описывают с применением векторных обозначений. Эта форма позволяет, кроме амплитуды, оперировать с направлением силы. В определенной ситуации результирующее воздействие определяется умножением соответствующих векторов.
Декартова система координат
На практике чаще используют первый пример на картинке – правый (положительный) базис. В соответствии с базовым определением подразумевается совмещенное положение векторов. В этом варианте кратчайший поворот от первого (i) ко второму (j) выполняется против направления движения стрелок на циферблате чатов.
Для произведения двух векторов
Удобный для практического применения закон буравчика создан с учетом типовых технических решений. Шурупы и другие крепежные изделия, как правило, изготавливают с аналогичной резьбой (правой). Это соответствует физиологии человека, позволяет развивать большие усилия естественным движением кисти руки.
«Оружейное» мнемоническое правило
Запомнить метод буравчика можно с помощью показанной на рисунке конфигурации пальцев, которой изображают «пистолет». Для устойчивой ассоциации с определенными физическими величинами нужно вспомнить англоязычную аббревиатуру американских спецслужб (ФБР – FBI). При таком расположении пальцы будут показывать следующие вектора:
- большой – ток в проводнике (I);
- указательный – магнитную индукцию (B);
- средний – силовое воздействие (F).
Для базисов
Аналогичным образом запоминают ориентацию векторных составляющих при рассмотрении базисов. Также применяют мнемоническое правило на основе часов. В таком варианте два вектора ассоциируются со стрелками часов. Результат умножения направлен в глубину механизма либо к наблюдателю, соответственно.
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 механического вращения скорости
Удобные и понятные правила можно применить в разных сферах деятельности.
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:
E = — dФ/dt,
где:
- Е – электродвижущая сила;
- Ф – магнитный поток, который создается вектором индукции;
- t – контрольный временной интервал.
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:
- перемещения винта (буравчика) – НДБ;
- вращения ручки – НВР;
- отставленного на прямой угол большого пальца – НБП;
- сложенных других пальцев – НСП.
Условные сокращения
| Метод | Соответствие |
|---|---|
| ПБ | |
| НДБ | току в контрольном проводнике |
| НВР | вектору (В), созданному пропускаемым током |
| ППР | |
| НБП | току |
| НСП | силовым линиям |
Для тока в проводнике, движущемся в магнитном поле
| Метод определения | Соответствие |
|---|---|
| ППР | |
| НБП | движению контрольного провода |
| НСП (прямая ладонь, силовые линии входят перпендикулярно) | индукционного тока |
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
| Метод | Соответствие |
|---|---|
| ПБ | |
| НДБ | векторному выражению ротора |
| НВР | завихрениям поля |
| ППР | |
| НБП | вектору ротора (потоку, который проходит через контрольный контур) |
| НСП | завихрениям (индуцируемой электродвижущей силе) |
Правила левой руки
По аналогичным принципам заполнены представленные в следующих разделах таблицы.
Первое правило
| Метод | Соответствие |
|---|---|
| ПЛР | |
| НБП | действующей на проводник силе |
| НСП (прямая ладонь) | току в контрольном проводе |
Пояснение методики при размещении провода в постоянном магнитном поле
Для следующего варианта изменены исходные условия:
- постоянный магнит неподвижен;
- заряд перемещается с пересечением силовых линий.
Второе правило
| Метод определения | Соответствие |
|---|---|
| ПЛР | |
| НБП | действующей на заряд силе |
| НСП (прямая ладонь) | движению частицы с положительным зарядом |
Объяснение названия
После изучения общих принципов и формулировок пользоваться рассмотренными правилами несложно. Ниже подробно представлены методики, которые применяют при работе с электротехническими схемами. В частности, с их помощью определяют направление тока. При необходимости уточняют параметры образованного поля. Аналогичные технологии можно использовать в механике для оценки угловой скорости и других рабочих параметров системы. Изменяются только отдельные компоненты формул. Алгоритмы применения технологий остаются неизменными.
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.
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.
Особенности соленоида
Электромагнитное поле создает катушка, подключенная к источнику питания. На примере с кольцевой конструкцией понятно неравномерное распределение силовых линий. Это затрудняет создание рабочих схем с заданными расчетными параметрами.
Отмеченный недостаток устраняют с применением соленоида. При достаточно большом количестве витков в центральной части образуется равномерное поле с параллельными силовыми линиями. «Краевыми» искажениями, если длина значительно больше, по сравнению с диаметром, можно пренебречь. Фактически эта конструкция выполняет функции постоянного магнита. Существенное преимущество – возможность создания изделий с определенными расчетом (изменяемыми) рабочими параметрами.
Катушка и кольцевая конструкция
Для уточнения параметров поля берут катушку, как показано на картинке. Сжатые пальцы направляют с учетом подключенного электропитания. Обеспечивают совпадение с током. Большой палец отгибают в сторону. Он будет показывать сторону, в которую направлен вектор силовых линий магнитной индукции.
Как узнать направление тока
По изученным правилам действуют для уточнения этого параметра. Движение винта должно соответствовать вектору силовых линий магнитной индукции. По вращению рукоятки винта узнают направление тока.
Применение ППР
При пользовании рассмотренными методиками следует исключить возможные ошибки по причине подобных названий. Правило левой руки используют для проверки сил, которые воздействуют на изделие из проводящего материала при размещении образца в магнитном поле. Сжатые пальцы располагают в соответствии с током. Силовые линии должны входить в открытую ладонь. Отогнутый на угол 90° большой палец – направление вектора силового воздействия. Для расчета силы Ампера (Fа) применяют следующую формулу:
Fа = B*J*Lsinα.
Такой же метод пригоден для определения стороны перемещения отдельных заряженных частиц или потока электронов. Сжатые пальцы открытой ладони направляют по их движению. Большой – покажет силовое воздействие. При необходимости вместо правилa левой руки можно применить рассмотренную выше технологию с «пистолетом» FBI.
