Правило Буравчика в физике - правило правой и левой руки кратко и понятно с формулами и примерами

Содержание:

Еще в глубокой древности было замечено, что некоторые железные руды притягивают к себе железные тела. Древние греки называли куски таких руд магнитными камнями, вероятно, по названию города Магнесия, откуда привозили руду. Сейчас их называют естественными магнитами. Существуют также искусственные магниты. Сегодня вы ознакомитесь с некоторыми свойствами магнитов, узнаете о магнитном взаимодействии, а также о связи магнитных и электрических явлений.

Свойства постоянных магнитов:

В 5 классе, изучая курс природоведения, вы узнали о магнитных явлениях и выяснили, что некоторые тела имеют свойство притягивать к себе железные предметы и сами притягиваются к ним.

Тела, которые длительное время сохраняют магнитные свойства, называют постоянными магнитами.

Первую попытку научного подхода к изучению магнетизма предпринял в XIII в. французский физик Пьер Пелерен де Марикур (точные даты жизни неизвестны) в своем трактате «Послание о магните». Более системно свойства постоянных магнитов исследовал Вильям Гильберт (1544-1603) — английский физик и врач, один из основателей науки об электричестве. Приведем основные из этих свойств.

Основные свойства постоянных магнитов
1. Магнитное действие магнита на разных участках его поверхности — разное; участки, где магнитное действие проявляется сильнее всего, называют полюсами магнита.	2. Магнит имеет два полюса — северный N и южный S*. Невозможно получить магнит только с одним полюсом.	3. Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, разноименные — притягиваются.	4. При нагревании постоянного магнита до определенной температуры, которую называют точкой Кюри, его магнитные свойства исчезают
	Полосовой магнит Подковообразный магнит

От гол. noord — север; zuiden (нем. ) — юг.

Опыты Эрстеда и Ампера:

Еще ученые Древней Греции предполагали, что магнитные и электрические явления связаны, однако установить эту связь удалось только в начале XIX в.

15 февраля 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) демонстрировал студентам опыт с нагреванием проводника электрическим током. Проводя опыт, ученый заметил, что во время прохождения тока магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, отклоняется от направления «север — юг» и устанавливается перпендикулярно проводнику (рис. 1.1). Когда ток в проводнике отсутствовал, стрелка возвращалась в начальное положение. Так было установлено, что электрический ток оказывает некоторое магнитное действие.

Рис 1.1. Схема опыта Эрстеда (Здесь и далее наличие символа I означает, что в проводнике течет ток; стрелка рядом показывает направление тока.)

Французский математик и физик Андре Мари Ампер (1775-1836) впервые услышал об опытах X. Эрстеда 4 сентября 1820 г. и уже через неделю продемонстрировал взаимодействие двух параллельно расположенных проводников с током (рис. 1.2). Ампер также показал, что катушки, в которых проходит электрический ток, ведут себя как постоянные магниты (рис. 1.3). Ученый пришел к выводу: поскольку проводники электрически нейтральны (не заряжены), их притягивание или отталкивание не может объясняться действием электрических сил, — «поведение» проводников является следствием действия магнитных сил.

Рис. 1.2. Схема опыта А. Ампера. Если в двух параллельных проводниках проходят токи одного направления, проводники притягиваются (а); если проходят токи противоположных направлений, проводники отталкиваются (б)

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)).

Рис. 1.3. Катушки с током ведут себя как постоянные магниты

Рассмотрим взаимодействие постоянного магнита и катушки с током (рис. 1.3, б). 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.

Индукция магнитного поля, линии магнитной индукции

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 (рис. 2.1). О том, как графически изображают магнитное поле и какая физическая величина его характеризует, вы узнаете из этого параграфа.

Рис. 2.1. Магнитная стрелка — это постоянный магнит. Пунктирной линией показана ось магнитной стрелки

Силовая характеристика магнитного поля

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):

Рис. 2.2. 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 (рис. 2.2).

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

Рис. 2.3. Линии магнитного поля полосового магнита

Изображение магнитного поле

На рис. 2.2 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:

1. за направление линии магнитной индукции в данной точке принято направление вектора магнитной индукции;
2. чем больше модуль магнитной индукции, тем ближе друг к другу чертят магнитные линии.

Рассмотрев графическое изображение магнитного поля полосового магнита, можно сделать некоторые выводы (см. на рис. 2.3). 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).

Рис. 2.4. Цепочки железных опилок воспроизводят картину линий магнитной индукции магнитного поля подковообразного магнита

Рис. 2.5. Участок, на котором магнитное поле однородно

Однородное магнитное поле

Магнитное поле в некоторой части пространства называют однородным, если в каждой его точке векторы магнитной индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению (рис. 2.5).

Рис. 2.6. Магнитное поле внутри полосового магнита (а) и между двумя магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами (б), можно считать однородным

На участках, где магнитное поле однородно, линии магнитной индукции параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 2.5, 2.6). Магнитные линии однородного магнитного поля, направленные к нам, принято изображать точками (рис. 2.7, а) — 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 (рис. 2.7, б).

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.

Рис. 2.7. Изображение линий магнитной индукции однородного магнитного поля, которые перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (а); направлены от нас (б)

Магнитное поле Земли

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. 2.8 изображена картина линий магнитной индукции магнитного поля Земли.

Рис. 2.8. 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 (рис. 2.9).

Рис. 2.9. 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.

• Заказать решение задач по физике

Магнитные бури

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 (рис. 2.10).

Рис. 2.10. 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.

Магнитное поле тока

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 (см. рис. 3.1). А как определить направление магнитных линий?

Правило Буравчика

Расположим рядом с проводником несколько магнитных стрелок и пустим в проводнике ток — стрелки сориентируются в магнитном поле проводника (рис. 3.1, а). Северный полюс каждой стрелки укажет направление вектора индукции магнитного поля в данной точке, а значит, и направление магнитных линий этого поля.

С изменением направления тока в проводнике изменится и ориентация магнитных стрелок (рис. 3.1, б). Это означает, что направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

Рис. 3.1. Определение направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током с помощью магнитных стрелок

Определять направление линий магнитной индукции с помощью магнитной стрелки не всегда удобно, поэтому используют правило буравчика:

Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, а);

или иначе:

Если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2. Определение направления линий магнитного поля проводника с током с помощью правила буравчика

От чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током

Вспомните: магнитное действие проводника с током первым обнаружил X. Эрстед в 1820 г. А вот почему это открытие не было сделано раньше? Дело в том, что с увеличением расстояния от проводника магнитная индукция созданного им поля быстро уменьшается. Поэтому, если магнитная стрелка расположена не вблизи проводника с током, магнитное действие тока почти незаметно.

Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик означает, что сила тока в проводнике направлена от нас

Магнитная индукция зависит также от силы тока: с увеличением силы тока в проводнике магнитная индукция созданного им магнитного поля увеличивается.

Магнитное поле катушки с током

Свернем изолированный провод в катушку и пустим по проводу ток. Если теперь вокруг катушки разместить магнитные стрелки, то к одному торцу катушки стрелки повернутся северным полюсом, а к другому — южным (рис. 3.4). Это означает, что около катушки с током существует магнитное поле.

Рис. 3.4. Исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок

Как и полосовой магнит, катушка с током имеет два полюса — южный и северный. Полюсы катушки расположены на ее торцах, и их легко определить с помощью правой руки:

Если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на северный полюс катушки, то есть направление вектора магнитной индукции внутри катушки (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Определение полюсов катушки с током с помощью правой руки

Сравнив магнитные линии постоянного полосового магнита и катушки с током, увидим, что они очень похожи (рис. 3.6). Заметим: магнитная стрелка, подвешенная катушка с током и подвешенный полосовой магнит ориентируются в магнитном поле Земли одинаково.

Подводим итоги:

Около проводника с током существует магнитное поле. Магнитная индукция поля, созданного током, уменьшается с увеличением расстояния от проводника и увеличивается с увеличением силы тока в проводнике.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током можно определить с помощью магнитных стрелок или правила буравчика.

Катушка с током, как и постоянный магнит, имеет два полюса. Их можно определить с помощью правой руки: если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на ее северный полюс.