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)
Правило буравчика для прямого проводника
На рисунке 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.
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:
- угловой скорости;
- параметров индукционного тока;
- магнитной индукции.
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. (см. схему на 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.
Иллюстрация правила правой руки для катушки
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.
В чём состоит правило буравчика
Буравчик — инструмента для сверления отверстий
Оно звучит так:в случаях, когда направление буравчика совпадает с направлением тока в проводнике во время поступательных движений, то одновременно идентичным ему будет и направление вращения ручки буравчика.
Определение магнитного поля
При изучении электрических явлений в 8 классе вы узнали о том, что в пространстве около заряженного тела существует поле, которое называют электрическим, и что именно посредством этого поля осуществляется электрическое взаимодействие между заряженными телами и частицами.
Около намагниченного тела и около проводника с током тоже существует поле — его называют магнитным. Магнитное взаимодействие осуществляется с некоторой скоростью посредством магнитного поля (первым к такому выводу пришел английский физик Майкл Фарадей (1791-1867)).
Катушки с током ведут себя как постоянные магниты
Рассмотрим взаимодействие постоянного магнита и катушки с током Катушка с током создает магнитное поле. Магнитное поле распространяется в пространстве и начинает действовать на постоянный магнит (намагниченное тело) — магнит отклоняется. Магнит тоже создает собственное магнитное поле, которое, в свою очередь, действует на катушку с током, — и катушка тоже отклоняется.
Заметим, что магнитное поле существует также около любой движущейся заряженной частицы и около любого движущегося заряженного тела и действует с некоторой силой на заряженные тела и частицы, движущиеся в этом магнитном поле.
Обратите внимание: мы не можем увидеть магнитное поле, но при этом оно, как и электрическое поле, абсолютно реально — это форма материи.
Магнитное поле — это форма материи, которая существует около намагниченных тел, проводников с током, движущихся заряженных тел и частиц и действует на другие намагниченные тела, проводники с током, движущиеся заряженные тела и частицы, расположенные в этом поле.
Подводим итоги:
Тела, длительное время сохраняющие свои магнитные свойства, называют постоянными магнитами. Основные свойства постоянных магнитов: 1) магнитное действие магнита сильнее всего проявляется вблизи его полюсов; 2) одноименные полюсы магнитов отталкиваются, разноименные — притягиваются; невозможно получить магнит только с одним полюсом; 3) при нагревании постоянного магнита до определенной температуры (точка Кюри) его магнитные свойства исчезают.
Магнитное взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля. Магнитное поле — это форма материи, которая существует около намагниченных тел, проводников с током, движущихся заряженных тел и частиц и действует на расположенные в этом поле намагниченные тела, проводники с током, движущиеся заряженные тела и частицы.
Мы не можем увидеть магнитное поле, однако для лучшего понимания магнитных явлений важно научиться его изображать. В этом помогут магнитные стрелки. Каждая такая стрелка — это маленький постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости О том, как графически изображают магнитное поле и какая физическая величина его характеризует, вы узнаете из этого параграфа.
Магнитная стрелка — это постоянный магнит. Пунктирной линией показана ось магнитной стрелки
Если заряженная частица движется в магнитном поле, то поле будет действовать на частицу с некоторой силой. Значение этой силы зависит от заряда частицы, направления и значения скорости ее движения, а также от того, насколько сильным является поле.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.
Магнитная индукция (индукция магнитного поля) — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля.
Магнитную индукцию обозначают символом 
Единица магнитной индукции в СИ — тесла; названа в честь сербского физика Николы Теслы (1856-1943):
В магнитном поле магнитные стрелки ориентируются определенным образом:северный полюс стрелки указывает направление вектора индукции магнитного поля в данной точке
За направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля принято направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, установленной в этой точке
Обратите внимание! Направление силы, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы или на проводник с током, или на магнитную стрелку, не совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Как выразить 1 Тл через другие единицы СИ, по какой формуле можно определить модуль магнитной индукции, как направлена сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Магнитные линии:
- вне магнита выходят из северного полюса магнита и входят в южный;
- всегда замкнуты (магнитное поле — это вихревое поле);
- наиболее густо расположены у полюсов магнита;
- никогда не пересекаются
На рис. видим, как ориентируются магнитные стрелки в магнитном поле: их оси как будто образуют линии, а вектор магнитной индукции в каждой точке направлен вдоль касательной к линии, проходящей через эту точку.
Условные направленные линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
С помощью магнитных линий графически изображают магнитные поля:
- за направление линии магнитной индукции в данной точке принято направление вектора магнитной индукции;
- чем больше модуль магнитной индукции, тем ближе друг к другу чертят магнитные линии.
Рассмотрев графическое изображение магнитного поля полосового магнита, можно сделать некоторые выводы Заметим, что данные выводы справедливы для магнитных линий любого магнита.
Картину магнитных линий можно воспроизвести с помощью железных опилок. Возьмем подковообразный магнит, положим на него пластинку из оргстекла и через ситечко будем насыпать на пластинку железные опилки. В магнитном поле каждый кусочек железа намагнитится и превратится в маленькую «магнитную стрелку». Импровизированные «стрелки» сориентируются вдоль магнитных линий магнитного поля магнита (рис. 2.4).
Цепочки железных опилок воспроизводят картину линий магнитной индукции магнитного поля подковообразного магнита
Магнитное поле в некоторой части пространства называют однородным, если в каждой его точке векторы магнитной индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению
Магнитное поле внутри полосового магнита (а) и между двумя магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами, можно считать однородным
На участках, где магнитное поле однородно, линии магнитной индукции параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга Магнитные линии однородного магнитного поля, направленные к нам, принято изображать точками — мы как будто видим «острия стрел», летящих к нам. Если магнитные линии направлены от нас, то их изображают крестиками — мы как будто видим «оперения стрел», летящих от нас
В большинстве случаев мы имеем дело с неоднородным магнитным полем, — полем, в разных точках которого векторы магнитной индукции имеют разные значения и направления. Магнитные линии такого поля искривлены, а их плотность разная.
Изображение линий магнитной индукции однородного магнитного поля, которые перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (а); направлены от нас (б)
Для изучения земного магнетизма Вильям Гильберт изготовил постоянный магнит в виде шара (модель Земли). Расположив на шаре компас, он заметил, что стрелка компаса ведет себя так же, как на поверхности Земли.
Эксперименты позволили ученому предположить, что Земля — это огромный магнит, а на севере нашей планеты расположен ее южный магнитный полюс. Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу В. Гильберта.
На рис. изображена картина линий магнитной индукции магнитного поля Земли.
Схема расположения магнитных линий магнитного поля планеты Земля
Линии магнитной индукции магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Если закрепить магнитную стрелку в карданном подвесе, то есть так, чтобы она могла свободно вращаться как вокруг горизонтальной, так и вокруг вертикальной осей, стрелка установится под углом к поверхности Земли
Магнитная стрелка в карданном подвесе
Магнитное поле Земли издавна помогало ориентироваться путешественникам, морякам, военным и не только им. Доказано, что рыбы, морские млекопитающие и птицы во время своих миграций ориентируются по магнитному полю Земли. Так же ориентируются, ища путь домой, и некоторые животные, например кошки.
Исследования показали, что в любой местности магнитное поле Земли периодически, каждые сутки, изменяется. Кроме того, наблюдаются небольшие ежегодные изменения магнитного поля Земли. Случаются, однако, и резкие его изменения. Сильные возмущения магнитного поля Земли, которые охватывают всю планету и продолжаются от одного до нескольких дней, называют магнитными бурями. Здоровые люди их практически не ощущают, а вот у тех, кто имеет сердечно-сосудистые заболевания и заболевания нервной системы, магнитные бури вызывают ухудшение самочувствия.
Магнитное поле Земли — своеобразный «щит», который защищает нашу планету от летящих из космоса, в основном от Солнца («солнечный ветер»), заряженных частиц. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подлетают довольно близко к атмосфере Земли. При возрастании солнечной активности космические частицы попадают в верхние слои атмосферы и ионизируют молекулы газа — на Земле наблюдаются полярные сияния
При возрастании солнечной активности увеличивается площадь темных пятен на Солнце (а), а на Земле происходят магнитные бури и полярные сияния (б)
Подводим итоги:
Магнитная индукция 
— это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл).
Условные направленные линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, вне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный, гуще расположены в тех областях магнитного поля, где модуль магнитной индукции больше.
Планета Земля имеет магнитное поле. Вблизи северного географического полюса Земли расположен ее южный магнитный полюс, вблизи южного географического полюса — северный магнитный полюс.
Вы уже знаете, что около проводника с током существует магнитное поле. Исследуем магнитное поле прямого проводника с током. Для этого пропустим проводник через лист картона (перпендикулярно листу), насыплем на картон железные опилки и замкнем цепь. В магнитном поле проводника опилки намагнитятся и воссоздадут картину линий магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током — концентрические окружности, охватывающие проводник. А как определить направление магнитных линий?
В чём состоит правило буравчика
Буравчик — инструмента для сверления отверстий
Оно звучит так:в случаях, когда направление буравчика совпадает с направлением тока в проводнике во время поступательных движений, то одновременно идентичным ему будет и направление вращения ручки буравчика.
В поисках направления
Чтобы разобраться, придётся всё-таки вспомнить школьные уроки. На них учителя физики рассказывали нам о том, что электроток — это движение элементарных частиц, которые при этом несут свой заряд по проводящему материалу. Благодаря источнику движение частиц в проводнике — направленное. Движение, как известно, жизнь, а потому вокруг проводника возникает не что иное, как магнитное поле, и оно тоже вращается. Но как?
Ответ даёт именно это правило (без использования каких-либо специальных инструментов), и результат оказывается весьма ценным, ведь в зависимости от направления магнитного поля парочка проводников начинает действовать по совершенно разным сценариям: либо отталкиваться друг от друга, либо, напротив, устремляться навстречу.
Формулировка правила буравчика
Пётр Буравчик – это первый физик, сформулировавший правило левой руки для различных частиц и полей. Оно применимо как в электротехнике (помогает определить направление магнитных полей), так и в иных областях. Оно поможет, к примеру, определить угловую скорость.
Простое и понятное объяснение с наглядным примером
Правило буравчика (правило правой руки) – это название не связано с фамилией физика, сформулировавшего его. Больше название опирается на инструмент, имеющий определённое направление шнека. Обычно у буравчика (винта, штопора) т.н. резьба правая, входит в грунт бур по часовой стрелке. Рассмотрим применение этого утверждения для определения магнитного поля.
Главное – не забыть, в каком направлении течёт ток
Нужно сжать правую руку в кулак, подняв вверх большой палец. Теперь немного разжимаем остальные четыре. Именно они указывают нам направление магнитного поля. Если же говорить кратко, правило буравчика имеет следующий смысл – вкручивая буравчик вдоль направления тока, увидим, что рукоять вращается по направлению линии вектора магнитной индукции.
Как связано магнитное поле с буравчиком и руками
В задачах по физике, при изучении электрических величин, часто сталкиваются с необходимостью нахождения направления тока, по вектору магнитной индукции и наоборот. Также эти навыки потребуются и при решении сложных задач и расчетов, связанных магнитным полем систем.
Прежде чем приступить к рассмотрению правил, хочу напомнить, что ток протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим. Можно сказать проще — ток протекает от плюса к минусу.
Правило правой и левой руки: применение на практике
Рассматривая применение этого закона, начнём с правила правой руки. Если известно направление вектора магнитного поля, при помощи буравчика можно обойтись без знания закона электромагнитной индукции. Представим, что винт передвигается вдоль магнитного поля. Тогда направление течения тока будет «по резьбе», то есть вправо.
Ещё одно чёткое и понятное объяснение
Применение правила правой руки для соленоида
Обратим внимание на постоянный управляемый магнит, аналогом которого является соленоид. По своей сути он является катушкой с двумя контактами. Известно, что ток движется от «+» к «-». Опираясь на эту информацию, берём в правую руку соленоид в таком положении, чтобы 4 пальца указывали направление течения тока. Тогда вытянутый большой палец укажет вектор магнитного поля.
Применение правила правой руки для соленоида
Определение направления тока буравчиком
Если вам известно направление вектора B – магнитной индукции, вы можете легко применить это правило. Мысленно передвигайте буравчик вдоль направления поля в катушке острой частью вперед, соответственно вращение по часовой стрелки вдоль оси движения и покажет, куда течет ток.
Если проводник прямой – вращайте вдоль указанного вектора рукоятку штопора, так чтобы это движение было по часовой стрелке. Зная, что он имеет правую резьбу – направление, в котором он вкручивается, совпадает с током.
Полезные сведения и советы
- Общепринято считать, что направление тока указывает в сторону от плюса к минусу. На самом деле, в проводнике упорядоченное перемещение электронов направлено от негативного полюса к позитивному. Поэтому, если бы перед вами стояла задача вычисления силы Лоренца для отдельного электрона в проводнике, следовало бы учитывать данное обстоятельство.
- По умолчанию мы рассматриваем винт (буравчик, штопор) с правой резьбой. Однако не следует забывать о существовании винтов с левой резьбой.
- При использовании правила часовой стрелки мы принимаем условие о том, что стрелки совершают движение слева направо. Известно, что в бывшем СССР производились часы с обратным ходом часового механизма. Возможно, такие модели существуют до сегодняшнего дня.
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.
Примечания
- Математические детали общего понятия ориентации базиса, о котором здесь идёт речь — см. в статье Ориентация.
- Под определением направления здесь везде имеется в виду выбор одного из двух противоположных направлений (выбор между всего двумя противоположными векторами), то есть сводится к выбору положительного направления.
- Это означает, что другие правила могут быть также удобны в любом количестве, но их использование не является необходимым.
- Это означает, что при желании можно пользоваться и противоположным правилом, и иногда это может быть даже удобно.
- Понятие правого и левого базиса распространяются не только на ортонормированные, но на любые трехмерные базисы (то есть и на косоугольные декартовы координаты тоже), однако мы для простоты ограничимся здесь случаем ортонормированных базисов (прямоугольных декартовых координат с равным масштабом по осям).
- Можно проверить, что в целом это действительно так, исходя из элементарного определения векторного произведения: Векторное произведение есть вектор, перпендикулярный обоим векторам-сомножителям, а по величине (длине) равный площади параллелограмма
. То же, какой из двух возможных векторов, перпендикулярных двум заданным, выбрать — и есть предмет основного текста, правило, позволяющее это сделать и дополняющее приведённое здесь определение, указано там. - Левая резьба применяется в современной технике только тогда, когда применение правой резьбы привело бы к опасности самопроизвольного развинчивания под влиянием постоянного вращения данной детали в одном направлении — например, левая резьба применяется на левом конце оси велосипедного колеса. Помимо этого, левая резьба применяется в редукторах и баллонах для горючих газов, чтобы исключить подсоединение к кислородному баллону редуктора для горючего газа.
- В том числе они могут быть в своих случаях и более удобными, чем общее правило, и даже иногда сформулированы достаточно органично, чтобы особенно легко запоминаться; что, правда, по-видимому, всё же не делает запоминание их всех более лёгким, чем запоминание всего одного общего правила.
- Даже если мы имеем дело с достаточно асимметричным (и асимметрично расположенным относительно оси вращения) телом, так что коэффициентом пропорциональности между угловой скоростью и моментом импульса служит тензор инерции, несводимый к численному коэффициенту, и вектор момента импульса тогда вообще говоря не параллелен вектору угловой скорости, тем не менее правило работает в том смысле, что направление указывается приблизительно, но этого достаточно, чтобы сделать выбор между двумя противоположными направлениями.
- Строго говоря, при этом сопоставлении есть ещё постоянный коэффициент 2, но в данной теме это не важно, так как речь идет сейчас только о направлении вектора, а не о его величине.
- Не обязательное требование.
