Как работает правило буравчика в электротехнике

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.

Правило правой руки для определения направления тока в соленоиде

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА для прямого проводника с током — служит для определения направления магнитных линий ( линий магнитной индукции) вокруг прямого проводника с током.

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Допустим, проводник с током расположен перпендикулярно плоскости листа: 1. направление эл. тока от нас ( в плоскость листа)

Согласно правилу буравчика, линии магнитного поля будут направлены по часовой стрелке.

или 2. направление эл. тока на нас ( из плоскости листа),

Тогда, согласно правилу буравчика, линии магнитного поля будут направлены против часовой стрелки.

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ для соленоида, т.е. катушки с током

— служит для определения направления магнитных линий (линий магнитной индукции) внутри соленоида.

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.

1.Как взаимодействуют между собой 2 катушки с током?

2. Как направлены токи в проводах, если силы взаимодействия направлены так, как на рисунке?

3. Два проводника расположены параллельно друг другу. Укажите раправление тока в проводнике СД.

Жду решений на следующем уроке на «5»!

Известно, что сверхпроводники ( вещества, обладающие при определенных температурах практически нулевым электрическим сопротивлением) могут создавать очень сильные магнитные поля. Были проделаны опыты по демонстрации подобных магнитных полей. После охлаждения керамического сверхпроводника жидким азотом на его поверхность помещали небольшой магнит. Отталкивающая сила магнитного поля сверхпроводника была столь высокой, что магнит поднимался, зависал в воздухе и парил над сверхпроводником до тех пор, пока сверхпроводник, нагреваясь, не терял свои необыкновенные свойства.

Источник

Правило буравчика

Магнитное поле электрического тока

Вокруг проводника с током образуется магнитное поле, так что свободно вращающаяся магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника, будет стремиться занять положение, перпендикулярное плоскости, проходящей вдоль него. В этом легко убедиться, проделав следующий опыт.Магнитное поле прямого проводника с током В отверстие горизонтально положенного листа картона вставляют прямолинейный проводник и пропускают через него ток. Насыпают на картон железные опилки и убеждаются в том, что они располагаются концентрическими окружностями, имеющими общий центр в точке пересечения проводником картонного листа. Магнитная стрелка, подвешенная на нити вблизи этого проводника, займет положение, указанное на рисунке. При изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка повернется на угол 180°, оставаясь в положении, перпендикулярном плоскости, проходящей вдоль проводника. В зависимости от направления тока в проводнике направление магнитных линий образуемого им магнитного поля определяется правилом буравчика, которое формулируется следующим образом:

Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление магнитных линий поля, образующегося вокруг этого проводника.

Если по проволоке, согнутой в виде кольца, пропустить ток, то под действием его также возникнет магнитное поле. Проволока, согнутая спирально и состоящая из нескольких витков, расположенных так, что оси их совпадают, называется соленоидом.

Магнитное поле соленоида

При прохождении тока через обмотку соленоида или один виток проволоки возбуждается магнитное поле. Направление этого поля также определяется правилом буравчика. Если расположить ось буравчика перпендикулярно плоскости кольцевого проводника или вдоль оси соленоида и вращать его рукоятку по направлению тока, то поступательное движение этого буравчика укажет направление магнитных линий поля кольца или соленоида. Магнитное поле, возбужденное током обмотки соленоида, подобно магнитному полю постоянного магнита, т. е. конец соленоида, из которого выходят магнитные линии, является его северным полюсом, а противоположный конец — южным. Направление магнитного поля зависит от направления тока и при изменении направления тока в прямолинейном проводнике или в катушке изменится также направление магнитных линий поля, возбуждаемого этим током. В однородном магнитном поле во всех точках поле имеет одинаковое направление и одинаковую интенсивность. В противном случае поле называется неоднородным. Графически однородное магнитное поле изображают параллельными линиями с одинаковой плотностью, например, в воздушном зазоре между двумя разноименными параллельно расположенными полюсами магнита.

(Подробно и доходчиво в видеокурсе «В мир электричества — как в первый раз!»)

• Назад
• Вперёд

Для чего применяют правило буравчика

Известно, что электроток — это направленное движение элементарных частиц, переносящих заряд электричества по имеющим электропроводимость проводникам.

Если взять источник электродвижущей силы (ЭДС) с током, идущим по проводу замкнутой цепи, то есть от «плюса» к «минусу», то в окружении проводника происходят вращающиеся по определённому кругу, магнитные кругообороты, конфигурация которых имеет важное значение. Эти крутящиеся поля взаимодействуют друг с другом и могут притягивать или отталкивать проводники к себе и от себя. А зависит это от того, как и в какую сторону вращаются магнитные поля

А зависит это от того, как и в какую сторону вращаются магнитные поля.

Характер такой взаимосвязи был сформулирован Ампером в виде закона, который стал основой для возникновения электромоторов. Без знания ПБ (правила буравчика) невозможно было бы изобрести электромотор. В этом заключается экспериментальное применение правила.

При расчёте катушек индукции характерным является использование ПБ, а именно с учётом стороны, в которую направлено завихрение, можно будет воздействовать на движущийся ток, в том числе создавать при необходимости противоток.

Электродинамика и магнитостатика

Магнитная индукция представляет собой векторный фактор, который характеризует силовое поле. Величина показывает влияние магнитного фона на отрицательно и положительно заряженные частицы в исследуемом пространстве. Индукция определяет силу влияния поля на заряд, перемещающийся с заданной скоростью. Для этого случая законы применения описываются так:

• Правило винта. Если поступательное круговое движение буравчика совпадает с направлением заряженных электронов в катушке, то путь поворота ручки инструмента будет совпадать с курсом магнитного вектора полярной индукции, направление при этом зависит от тока.
• Принцип правой кисти. Если взять стержень в правую кисть так, что отставленный под прямым углом палец демонстрирует курс тока, то другие пальцы будут соответствовать направлению луча магнитной индукции, продуцируемого током. Путь магнитного вектора индукции прокладывается касательно линии отрезков.

Для подвижного проводника

В стержне из металла находится большое число свободных электронов, движение которых характеризуется как хаотичное. Если катушка движется в силовом электромагнитном поле вдоль линий, то фон отклоняет электроны, перемещающиеся одновременно с проводником. Их движение создает ЭДС (электродвижущую силу) и называется электромагнитной наведенной индукцией.

Ток будет протекать под действием разности потенциалов при подсоединении такой катушки к внешней цепи по замкнутому контуру. При передвижении стержня по направлению силовых линий снижается до нуля воздействие поля на заряды. Не возникает электродвижущая сила, нет напряжения, отсутствует ток электронов.

ЭДС индукции равняется произведению рабочего размера проводника, скорости движения стержня и значения магнитной индукции. Ее направление устанавливается по закону правой руки. Ладонь располагается так, чтобы в нее были направлены линии силового поля, а отогнутый под 90° большой палец ставится вдоль движения стержня. В этом положении четыре распрямленных пальца покажут курс тока индукции.

Нахождение ЭДС по Максвеллу

Электродвижущее давление будет возникать при каждом пересечении стержня и силового поля. Результативным будет перемещение проводника, самого поля или изменение электромагнитных характеристик силового пространства.

ЭДС, полученная в контуре при состыковке его с изменяющимся силовым полем, измеряется скоростью трансформации магнитного потока. Направление индуцированной движущей силы идет так, что продуцируемый ею электрический ток противодействует реконструкции потоков магнитного излучения.

Изменение тока ведет к реформированию создаваемого им магнитного потока. Проходя через пространство, магнитное излучение стыкуется с соседними проводниками и со своим. В стержне наводится электродвижущая сила, которая носит название самоиндукции. Явление означает поддержку тока при его уменьшении и ослабление движения электронов при увеличении силы тока.

Если вращать буравчик по путям завихрения пространства, где возникают векторы, то его движение покажет направление кручения ротора. Это можно проследить, если четыре сжатых пальца правой кисти поставить по курсу завихрения. В этом случае отогнутый палец укажет путь движения ротора.

Для магнитного вектора индукции правила буравчика совпадают с законом Ампера — Максвелла. Но к электротоку через контур добавляется скорость трансформации силового поля через эту конфигурацию, а магнитное поле воспринимается только в случае его перемещения в пределах очертания.

Применение правил левой кисти:

• Ладонь ставится так, чтобы индукционные линии входили в центр внутренней стороны, а пальцы соответствовали токовому направлению. Отставленный большой палец определит путь силы, оказывающий давление на стержень со стороны силового поля. Мощь носит наименование силы Ампера.
• При втором варианте ладонь располагается так, чтобы линии силового поля входили под прямым углом в плоскость руки, а пальцы располагались по направлению перемещения положительных электронов или в противоположную сторону от отрицательных частиц. Тогда палец под углом 90° укажет путь приложения силы Лоренца.

Правило правой кисти для соленоида: нужно взять катушку индуктивности в правую руку так, чтобы пальцы показывали путь тока в оборотах, отставленный под 90° большой палец определит курс магнитных линий во внутренней части устройства. Зная полярность, легко вычислить путь прохождения электрического тока.

Основные формулы для вычисления вектора МИ

Вектор магнитной индукции, формула которого B = Fm/I*∆L, можно находить, применяя другие математические вычисления.

Закон Био-Савара-Лапласа

Закон полного тока

Описывает правила нахождения B→ магнитного поля, которое создаёт постоянный электроток. Это экспериментально установленная закономерность. Био и Савар в 1820 году выявили её на практике, Лапласу удалось сформулировать. Этот закон является основополагающим в магнитостатике. При практическом опыте рассматривался неподвижный провод с малым сечением, через который пропускали электроток. Для изучения выбирался малый участок провода, который характеризовался вектором dl. Его модуль соответствовал длине рассматриваемого участка, а направление совпадало с направлением тока.

Интересно. Лаплас Пьер Симон предложил считать током даже движение одного электрона и на этом утверждении, с помощью данного закона, доказал возможность определения МП продвигающегося точечного заряда.

Согласно этому физическому правилу, каждый сегмент dl проводника, по которому протекает электрический ток I, образовывает в пространстве вокруг себя на промежутке r и под углом α магнитное поле dB

dB = µ0 *I*dl*sin α /4*π*r2,

где

• dB – магнитная индукция, Тл;
• µ0 = 4 π*10-7 – магнитная постоянная, Гн/м;
• I – сила тока, А;
• dl – отрезок проводника, м;
• r – расстояние до точки нахождения магнитной индукции, м;
• α – угол, образованный r и вектором dl.

Важно! Согласно закону Био-Савара-Лапласа, суммируя векторы магнитных полей отдельных секторов, можно определить МП нужного тока. Оно будет равно векторной сумме

Закон Био-Савара-Лапласа

Существуют формулы, описывающие этот закон для отдельных случаев МП:

• поля прямого перемещения электронов;
• поля кругового движения заряженных частиц.

Формула для МП первого типа имеет вид:

В = µ* µ0*2*I/4*π*r.

Для кругового движения она выглядит так:

В = µ*µ0*I/4*π*r.

В этих формулах µ – это магнитная проницаемость среды (относительная).

Рассматриваемый закон вытекает из уравнений Максвелла. Максвелл вывел два уравнения для МП, случай, где электрическое поле постоянно, как раз рассматривают Био и Савар.

Принцип суперпозиции

Для МП существует принцип, согласно которому общий вектор магнитной индукции в определённой точке равен векторной сумме всех векторов МИ, созданных разными токами в данной точке:

B→= B1→+ B2→+ B3→… + Bn→

Принцип суперпозиции

Теорема о циркуляции

Изначально в 1826 году Андре Ампер сформулировал данную теорему. Он разобрал случай с постоянными электрическими полями, его теорема применима к магнитостатике. Теорема гласит: циркуляция МП постоянного электричества по любому контуру соразмерна сумме сил всех токов, которые пронизывают этот контур.

Стоит знать! Тридцать пять лет спустя Д. Максвелл обобщил это утверждение, проведя параллели с гидродинамикой.

Другое название теоремы – закон Ампера, описывающий циркуляцию МП.

Математически теорема записывается следующим образом.

Математическая формула теоремы о циркуляции

где:

• B→– вектор магнитной индукции;
• j→ – плотность движения электронов.

Это интегральная форма записи теоремы. Здесь в левой части интегрируют по некоторому замкнутому контуру, в правой части – по натянутой поверхности на полученный контур.

Магнитный поток

Одна из физических величин, характеризующих уровень МП, пересекающего любую поверхность, – магнитный поток. Обозначается буквой φ и имеет единицу измерения вебер (Вб). Эта единица характерна для системы СИ. В СГС магнитный поток измеряется в максвеллах (Мкс):

108 Мкс = 1 Вб.

Магнитный поток φ определяет величину МП, пронизывающую определённую поверхность. Поток φ зависит от угла, под которым поле пронизывает поверхность, и силы поля.

Формула для расчёта имеет вид:

φ = |B*S| = B*S*cosα,

где

• В – скалярная величина градиента магнитной индукции;
• S – площадь пересекаемой поверхности;
• α – угол, образованный потоком Ф и перпендикуляром к поверхности (нормалью).

Внимание! Поток Ф будет наибольшим, когда B→ совпадёт с нормалью по направлению (угол α = 00). Аналогично Ф = 0, когда он проходит параллельно нормали (угол α = 900)

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции, или магнитная индукция, указывает направление поля. Применяя простые методы: правило буравчика, свободно ориентирующуюся магнитную стрелку или контур с током в магнитном поле, можно определить направление действия этого поля.

Как связано магнитное поле с Буравчиком и руками

Рассматривая движение полей токовой и магнитной природы, можно легко проследить взаимную связь правила Буравчика с канонами правой и левой руки. Для более качественного сравнения этих понятий, следует рассмотреть, что они представляют собой по отдельности.

Закон Буравчика точно устанавливает направленность напряженности, вызываемой магнитными полями. При этом само поле должно размещаться в прямом направлении по отношению к проводящему материалу с электротоком.

Для более полного представления берется штопор с правой резьбой и ввинчивается по часовой стрелочке в сторону протекания тока. Направленность магнетических полей соответствует правостороннему движению штопорной рукоятки.

Правило правой руки может рассматриваться в двух вариантах. В одном из них пальцы, согнутые в кулак, охватывают неподвижный токопроводник. Они обозначают, в какую сторону смотрит вектор магнитных линий, который, как и у рукоятки Буравчика, будет по ходу часовой стрелки. Самый крупный палец отступает на 90º и показывает, в какую сторону движется ток.

Если же токопровод движется, то правая рука размещается иным способом. Ладонь устанавливается между северным и южным полюсами так, чтобы она была в перпендикулярности с силовыми линиями, проходящими через нее. Крупный палец фиксируется в вертикальном положении и показывает в сторону направленного движения проводника. Оставшиеся пальцы, протянутые вперед, смотрят в ту же сторону, что и индукционный ток. Эта установка нашла свое применение в расчетах катушечных соленоидов, оказывающих воздействие на физические свойства тока.

Отделяя друг от друга правило правой и левой руки, их физика показывает, что второй вариант, используемый в расчетах, действует по-другому. Левая ладошка размещается в таком положении, чтобы четыре пальца были направлены в сторону тока, продвигающегося по проводнику. Магнитные линии, перемещаясь от одного полюса к другому, заходят в ладошку под 90 градусов. Оттопыренный крупный палец смотрит в ту же сторону, что и сила, воздействующая на токопроводник.

Что связано с левой рукой

В целях правильного использования физических понятий, нельзя смешивать друг с другом Буравчик и левую руку. В одном случае определяются направленности магнетических линий и электротока, а второй вариант заключается в установлении силы, оказывающей влияние на проводящий материал.

В отдельных случаях не все точно знают, как пользоваться «левой рукой». Но что бы ни говорили, все очень просто. Выпрямленная рука размещается ладонью вверх между двумя полюсами вдоль токопроводника. Магнитные линии условно пронзают открытую ладошку. Все пальцы направлены по ходу течения тока, а оттопыренный самый крупный палец совпадает с направлением вектора силы, которая получила название силы Ампера.

С помощью левой руки можно определить не только силу Ампера, но и силу Лоренца. В последнем случае – это способ, применяемый к отдельным заряженным частицам. Его смысл состоит в расположении пальцев левой ладони в направлении движения заряда. Когда вектор В будет проходить сквозь ладонь, большой палец будет смотреть в сторону действия силы Ампера. При наличии отрицательного заряда, пальцы должны располагаться в противоположном направлении.

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.

Рис. 3. 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.