Правило левой руки используется для определения направления силы Ампера, а также силы Лоренца. Это правило удобно для запоминания, поскольку является достаточно простым и наглядным.
Формулировка этого правила звучит так:
Если поместить ладонь левой руки так чтобы вытянутые четыре пальца указывали направление тока, а силовые линии внешнего магнитного поля входили в открытую ладонь, то отставленный на 90 градусов большой палец будет указывать направление силы.
Рисунок 1 — Иллюстрация к правилу левой руки
Можно привести некоторое дополнение к данному правилу. Например, если правило левой руки применяется для определения направления силы, которая будет действовать на электрон или отрицательно заряженный ион. Которые будут двигаться в магнитном поле. Нужно обязательно помнить о том, что направление, в котором движется электрон, является противоположным направлению движения тока. Поскольку так исторически сложилось, что направление движения тока принято от положительного электрода к отрицательному.
А электроны движутся по проводнику от отрицательного полюса к положительному.
В заключении можно сказать что применение различных визуальных методов значительно упрощает запоминание того или иного правела. Ведь значительно проще вспомнить картинку, чем сухой текст.
Первый шаг будет посвящен правилу правой руки. С его помощью можно определить направление магнитных линий проводника с током. Для этого нам нужно узнать направление тока в проводнике. Просто посмотрите на полюса батареи или аккумулятора. Так как ток направлен от “+” к “-” ,то он будет идти от стороны проводника подключенного к + в сторону -. Теперь когда мы узнали направление тока, нужно “взять”) правую руку и загнуть все пальцы в ладонь,кроме большого! Так как на картинке. Сейчас нам нужно “обхватить” проводник, но так,чтобы большой палец показывал направление тока т.е. был направлен туда куда и ток). При таком расположении руки пальцы загнутые вокруг проводника будут указывать на направление линий его магнитного поля)
2 шаг
Понятно?)
Теперь перейдем к определению полюсов катушки с током. Мы должны опять аналогичным способом определить направление тока. После этого делаем почти то же самое, только пальцы оставляем более прямыми, но подогнутыми. Подходим к нашей катушке и пальцы (все, кроме оттопыренного большого) направляем по направлению тока в ней т.е наши пальцы стали как бы не целыми витками катушки). При этом большой палец показывает направление на северный полюс катушки.
P.S. Небольшое отступление) палец так же показывает направление магнитных линий ПРОХОДЯЩИХ СКВОЗЬ катушку, И наоборот – показывает направление ПРОТИВОПОЛОЖНОЕ линиям проходящим вне катушки и "входящих в ее южный полюс.
3 шаг
Приступим к пониманию правила ЛЕВОЙ руки. Оно дает возможность определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле постоянного магните! ВО!=). Для опыта нам нужна просто ровная левая рука,но с отогнутым на 90 градусов правым пальцем. В магнитном поле руку нужно расположить так,чтобы северный полюс “смотрел” во внутреннюю часть ладони, т.е. чтобы линии магнитного поля направлялись в руку. При этих условиях нам нужно,чтобы прямые пальцы направлялись по направлению тока в ПРОВОДНИКЕ. Если все учтено и сделано правильно, то отогнутый на 90 градусов палец будет показывать направление силы Ампера.
Тем, кому в школе плохо давалась физика, правило буравчика и сегодня - самая настоящая «терра инкогнита». Особенно если попытаться найти определение известного закона в Сети: поисковые системы тут же выдадут множество мудрёных научных объяснений со сложными схемами. Однако вполне возможно кратко и понятно объяснить, в чём же оно состоит.
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.
Использование
Самый простой способ определения пути движений линий магнитного поля - применение правила буравчика
Представить это можно и так - на примере собственной правой руки и самого обычного провода. Провод кладём в руку. Четыре пальца крепко сжимаем в кулак. Большой палец указывает вверх - наподобие жеста, которым мы демонстрируем, что нам что-то нравится. В данной «раскладке» большой палец чётко укажет направление движения тока, тогда как остальные четыре - путь движений линий магнитного поля.
Правило вполне применимо в жизни. Физикам оно необходимо для того, чтобы определить направление магнитного поля тока, рассчитать механическое вращение скорости, вектор магнитной индукции и момент сил.
Кстати, о том, что правило применимо к самым разным ситуациям говорит и то, что существует сразу несколько его толкований - в зависимости от рассматриваемого каждого конкретного случая.
С помощью правил левой и правой руки с легкостью можно найти и определить направления тока, магнитных линий, а также других физических величин.
Правило буравчика и правой руки
Правило буравчика впервые было сформулировано известным физиком Петром Буравчиком. Его удобно использовать, чтобы определить направленность напряженности. Итак, формулировка правила такова: в случае когда буравчик, двигающийся поступательно, вкручивается по направлению электрического тока, направленность рукоятки самого буравчика должна совпасть с направленностью магнитного поля. Данное правило можно применить с соленоидом: обхватываем соленоид, пальцы должны показывать туда же, куда и ток, то есть показать путь тока в витках, дальше оттопыриваем большой палец правой руки, он и указывает на нужное путь линий магнитной индукции.
Правило правой руки употребляют по статистике гораздо чаще правила буравчика, от части из — за более понятной формулировки, оно гласит: обхватываем предмет правой рукой, при этом сжатые пальцы кулака должны показывать направление магнитных линий, а оттопыренный приблизительно на 90 градусов большой палец должен показать направление электрического тока. Если присутствует движущийся проводник: руку следует развернуть таким образом, чтобы силовые линии данного поля были перпендикулярны ладони (90 градусов) , оттопыренный большой палец должен показать на путь движения проводника, тогда 4 загнутых пальца укажут на путь индукционного тока.
Правило левой руки
У правила левой руки существуют две формулировки. Первая формулировка гласит: следует разместить руку, чтобы оставшиеся загнутые пальцы руки указывали на путь электрического тока в данном проводнике, линии индукции должны быть перпендикулярны ладони, а выставленный большой палец левой руки указывает на силу, оказывающую воздействие на данный проводник. Следующая формулировка гласит: четыре согнутых пальца руки, кроме большого располагаются именно по движению отрицательно заряженных или положительно заряженных электрического тока, а линии индукции при этом должны перпендикулярно (90 градусов) направляться в ладонь, в этом случае выставленный большой в данном случае должен показать на течение силы Ампера или же силы Лоренца.
B и многих других, а также для определения направления таких векторов, которые определяются через аксиальные, например, направление индукционного тока при заданном векторе магнитной индукции.- Для многих из этих случаев кроме общей формулировки, позволяющей определять направление векторного произведения или ориентацию базиса вообще, имеются специальные формулировки правила, особенно хорошо приспособленные к каждой конкретной ситуации (но гораздо менее общие).
В принципе, как правило, выбор одного из двух возможных направлений аксиального вектора считается чисто условным, однако он должен происходить всегда одинаково, чтобы в конечном результате вычислений не оказался перепутан знак. Для этого и служат правила, составляющие предмет этой статьи (они позволяют всегда придерживаться одного и того же выбора).
Общее (главное) правило
Главное правило, которое может использоваться и в варианте правила буравчика (винта) и в варианте правила правой руки - это правило выбора направления для базисов и векторного произведения (или даже для чего-то одного из двух, так как одно прямо определяется через другое). Главным оно является потому, что в принципе его достаточно для использования во всех случаях вместо всех остальных правил, если только знать порядок сомножителей в соответствующих формулах.
Выбор правила для определения положительного направления векторного произведения и для положительного базиса (системы координат) в трехмерном пространстве - тесно взаимосвязаны.
Левая (на рисунке слева) и правая (справа) декартовы системы координат (левый и правый базисы). Принято считать положительным и использовать по умолчанию правый (это общепринятое соглашение; но, если особые причины заставляют отойти от данного соглашения - это должно оговариваться явно)
Оба эти правила в принципе чисто условны , однако принято (по крайней мере, если обратное явно не оговорено) считать, и это общепринятое соглашение, что положительным является правый базис , а векторное произведение определяется так, что для положительного ортонормированного базиса e → x , e → y , e → z {\displaystyle {\vec {e}}_{x},{\vec {e}}_{y},{\vec {e}}_{z}} (базиса прямоугольных декартовых координат с единичным масштабом по всем осям, состоящего из единичных векторов по всем осям) выполняется следующее:
e → x × e → y = e → z , {\displaystyle {\vec {e}}_{x}\times {\vec {e}}_{y}={\vec {e}}_{z},}где косым крестом обозначена операция векторного умножения.
По умолчанию же общепринято использовать положительные (и таким образом правые) базисы. Левые базисы в принципе принято использовать в основном когда использовать правый очень неудобно или вообще невозможно (например, если у нас правый базис отражается в зеркале, то отражение представляет собой левый базис, и с этим ничего не поделаешь).
Поэтому правило для векторного произведения и правило для выбора (построения) положительного базиса взаимно согласованы.
Они могут быть сформулированы так:
Для векторного произведения
Правило буравчика (винта) для векторного произведения : Если нарисовать векторы так, чтобы их начала совпадали и вращать первый вектор-сомножитель кратчайшим образом ко второму вектору-сомножителю, то буравчик (винт), вращающийся таким же образом, будет завинчиваться в направлении вектора-произведения.
Вариант правило буравчика (винта) для векторного произведения через часовую стрелку : Если нарисовать векторы так, чтобы их начала совпадали и вращать первый вектор-сомножитель кратчайшим образом ко второму вектору-сомножителю и смотреть с той стороны, чтобы это вращение было для нас по часовой стрелке, вектор-произведение будет направлен от нас (завинчиваться вглубь часов).
Правило правой руки для векторного произведения (первый вариант) :
Если нарисовать векторы так, чтобы их начала совпадали и вращать первый вектор-сомножитель кратчайшим образом ко второму вектору-сомножителю, а четыре пальца правой руки показывали направление вращения (как бы охватывая вращающийся цилиндр), то оттопыренный большой палец покажет направление вектора-произведения.
Правило правой руки для векторного произведения (второй вариант) :
A → × b → = c → {\displaystyle {\vec {a}}\times {\vec {b}}={\vec {c}}}
Если нарисовать векторы так, чтобы их начала совпадали и первый (большой) палец правой руки направить вдоль первого вектора-сомножителя, второй (указательный) - вдоль второго вектора-сомножителя, то третий (средний) покажет (приблизительно) направление вектора-произведения (см. рисунок).
Применительно к электродинамике по большому пальцу направляют ток (I), вектор магнитной индукции (B) направляют по указательному, а сила (F) будет направлена по среднему пальцу. Мнемонически правило легко запомнить по аббревиатуре FBI (сила, индукция, ток или Федеральное Бюро Расследований (ФБР) в переводе с английского) и положению пальцев руки, напоминающему пистолет.
Для базисов
Все эти правила могут быть, конечно, переписаны для определения ориентации базисов. Перепишем только два из них: Правило правой руки для базиса :
x, y, z - правая система координат.
Если в базисе e x , e y , e z {\displaystyle e_{x},e_{y},e_{z}} (состоящем из векторов вдоль осей x, y, z ) первый (большой) палец правой руки направить вдоль первого базисного вектора (то есть по оси x ), второй (указательный) - вдоль второго (то есть по оси y ), а третий (средний) окажется направленным (приблизительно) в направлении третьего (по z ), то это правый базис (как и оказалось на рисунке).
Правило буравчика (винта) для базиса : Если вращать буравчик и векторы так, чтобы первый базисный вектор кратчайшим образом стремился ко второму, то буравчик (винт) будет завинчиваться в направлении третьего базисного вектора, если это правый базис.
- Всё это, конечно, соответствует расширению обычного правила выбора направления координат на плоскости (х - вправо, у - вверх, z - на нас). Последнее может быть ещё одним мнемоническим правилом, в принципе способным заменить правило буравчика, правой руки и т. д. (впрочем, пользование им, вероятно, требует иногда определённого пространственного воображения, так как надо мысленно повернуть нарисованные обычным образом координаты до совпадения их с базисом, ориентацию которого мы хотим определить, а он может быть развернут как угодно).
Формулировки правила буравчика (винта) или правила правой руки для специальных случаев
Выше упоминалось о том, что все разнообразные формулировки правила буравчика (винта) или правила правой руки (и другие подобные правила), в том числе все упоминаемые ниже, не являются необходимыми. Их не обязательно знать, если знаешь (хотя бы в каком-то одном из вариантов) общее правило, описанное выше и знаешь порядок сомножителей в формулах, содержащих векторное произведение.
Однако многие из описанных ниже правил хорошо приспособлены к специальным случаям их применения и поэтому могут быть весьма удобны и легки для быстрого определения направления векторов в этих случаях .
Правило правой руки или буравчика (винта) для механического вращения скорости
Правило правой руки или буравчика (винта) для угловой скорости
Правило правой руки или буравчика (винта) для момента сил
M → = ∑ i [ r → i × F → i ] {\displaystyle {\vec {M}}=\sum _{i}[{\vec {r}}_{i}\times {\vec {F}}_{i}]}(где F → i {\displaystyle {\vec {F}}_{i}} - сила, приложенная к i -ой точке тела, r → i {\displaystyle {\vec {r}}_{i}} - радиус-вектор, × {\displaystyle \times } - знак векторного умножения),
правила тоже в целом аналогичны, однако сформулируем их явно.
Правило буравчика (винта): Если вращать винт (буравчик) в том направлении, в котором силы стремятся повернуть тело, винт будет завинчиваться (или вывинчиваться) в ту сторону, куда направлен момент этих сил.
Правило правой руки: Если представить, что мы взяли тело в правую руку и пытаемся его повернуть в направлении, куда указывают четыре пальца (силы, пытающиеся повернуть тело направлены по направлению этих пальцев), то оттопыренный большой палец покажет в ту сторону, куда направлен вращающий момент (момент этих сил).
Правило правой руки и буравчика (винта) в магнитостатике и электродинамике
Для магнитной индукции (закона Био - Савара)
Правило буравчика (винта) : Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля, создаваемого этим током .
Правило правой руки : Если обхватить проводник правой рукой так, чтобы оттопыренный большой палец указывал направление тока, то остальные пальцы покажут направление огибающих проводник линий магнитной индукции поля, создаваемого этим током, а значит и направление вектора магнитной индукции , направленного везде по касательной к этим линиям .
Для соленоида оно формулируется так: Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида .
Для тока в проводнике, движущемся в магнитном поле
Правило правой руки : Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в неё входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока .
