Направление тока и направление линий его магнитного поля. Правило буравчика и правило правой руки

Как вам уже известно, явления электричества и магнетизма связаны между собой. Упорядоченно движущиеся заряженные частицы представляют в своей совокупности электрический ток. А он в свою очередь порождает магнитное поле вокруг проводника, в котором протекает.

Чтобы графически изобразить магнитное поле, мы используем магнитные линии. Оценивая их густоту, мы можем говорить, в каких точках поле более сильное. Также магнитные линии имеют определенное направление. Оно всегда совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в какую-то точку поля (рисунок 1).

Электрический ток, который порождает магнитное поле, тоже распространяется в определенном направлении. Вне зависимости от того, какие именно частицы движутся в проводнике (положительно или отрицательно заряженные), за направление тока принято направление от положительного полюса источника тока к отрицательному (рисунок 2).

На данном уроке мы узнаем, как изменяется направление линий магнитного поля при изменении направления тока в проводнике, сформулируем правило буравчика и правило правой руки, научимся их использовать для решения упражнений.

Зависимость направления магнитных линий от направления тока

Для установления зависимости направления магнитных линий от направления тока в проводнике мы рассмотрим два простых опыта.

Опыт Эрстеда

Для начала мы обратимся к опыту, который впервые был проведен датским физиком Гансом Христианом Эрстедом в 1820 году.

Для этого опыта нам понадобятся:

• источник тока;
• прямой проводник;
• два штатива для фиксации проводника;
• магнитная стрелка на подставке, способная вращаться;
• провода, с помощью которых мы соберем электрическую цепь (рисунок 3).

Итак, устанавливаем наш проводник на штативе. Помещаем под него магнитную стрелку на подставке. С помощью гибких проводов подсоединяем наш проводник к источнику тока. Включаем питание источника. Теперь в электрической цепи течет ток от положительного полюса источника к отрицательному. Магнитная стрелка при этом поворачивается перпендикулярно проводнику (рисунок 4).

А теперь поменяем полярность. Переподключаем провода так, чтобы ток протекал относительно прямого проводника, закрепленного на штативах, в другую сторону. Мы увидим, что магнитная стрелка опять повернулась перпендикулярно к проводнику (рисунок 5). Но на этот раз ее южный полюс указывает туда, куда в прошлый раз указывал северный. Получается, что стрелка повернулась на $180 \degree$ по сравнению с ее положением в первой части эксперимента.

Северной полюс магнитной стрелки всегда показывает нам направление магнитной линии в данной точке поля. Значит, этот опыт показал нам, что при изменении направления электрического тока изменяется направление магнитных линий поля.

Опыт с магнитными стрелками

Проведем еще один опыт. Установим прямой проводник с током на специальной подставке. На нее выставим несколько маленьких магнитных стрелок на одинаковом расстоянии $s$ от проводника (рисунок 6).

Подключим проводник к источнику тока и включим питание. По проводнику течет ток. Значит, появилось магнитное поле. Магнитные стрелки повернутся определенным образом — противоположными полюсами друг к другу.

Если посмотреть на наше оборудование сверху, то очень легко увидеть, как именно повернулись магнитные стрелки (рисунок 7). Они выстроились по касательным к магнитной линии поля. Она ожидаемо представляет собой окружность.

А теперь поменяем направление тока в проводнике. Как и в опыте Эрстеда, мы увидим,  что стрелки повернулись на $180 \degree$ по сравнению с предыдущим результатом (рисунок 8).

Мы получили еще одно подтверждение того, что направление линий магнитного поля тока зависит от направления тока в проводнике.

{"questions":[{"content":"При изменении направления тока в проводнике на противоположное магнитная стрелка, находящаяся в поле этого проводника, [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["повернется на $180 \\degree$","не изменит своего положения","повернется на $45 \\degree$"],"answer":0}}}]}

Правило буравчика

В результате огромного количества опытов, проведенных с различными проводниками с током, было установлено правило, которое называется правилом буравчика, или правилом правого винта. Оно устанавливает связь между направлением тока в проводнике и направлением его магнитных линий.

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

{"questions":[{"content":"Соотнесите направления движения буравчика и направления, с которыми они совпадают.[[matcher-5]]","widgets":{"matcher-5":{"type":"matcher","labels":["Поступательное движение буравчика","Вращение ручки буравчика"],"items":["Сила тока","Магнитные линии"]}}}]}

Применение правила буравчика

Рассмотрим участок AB проводника с током (рисунок 9). Ток направлен от A к B. Чтобы буравчик двигался поступательно в этом направлении (как будто вкручивался в проводник с током), нам нужно его вращать по часовой стрелке. Значит направление магнитной линии, представляющей собой окружность, тоже будет направлено по часовой стрелке.

Теперь рассмотрим участок проводника CD (рисунок 10). Ток направлен от C к D. Чтобы вращающийся буравчик двигался в направлении тока, нам нужно его развернуть на $180 \degree$ по сравнению с предыдущим примером. При этом вращать мы его будет против часовой стрелки. Это направление и будет соответствовать направлению магнитных линий поля.

Правило буравчика работает и в обратном порядке. Если нам известно направление линий магнитного поля, то можно определить направление тока в проводнике, который является источником этого поля.

{"questions":[{"content":"Если вращать ручку буравчика по направлению магнитных линий, то он будет поступательно двигаться [[fill_choice_big-7]].","widgets":{"fill_choice_big-7":{"type":"fill_choice_big","options":["в направлении протекания тока","противоположно направлению протекания тока","в произвольном направлении"],"answer":0}}}]}

Правило правой руки

Существует аналог правила буравчика — правило правой руки. Зачастую оно является более простым для понимания, но не менее информативным.

Правило правой руки:
если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока.

{"questions":[{"content":"Соотнесите направления, указываемые пальцами, и направления силы тока и магнитных линий.[[matcher-10]]","widgets":{"matcher-10":{"type":"matcher","labels":["Большой палец","Четыре пальца"],"items":["Сила тока","Магнитные линии"]}}}]}

Применение правила правой руки

Возьмем прямой проводник с током AB (рисунок 11). Ток протекает от A к B. Нам нужно обхватить его правой рукой таким образом, чтобы отставленный большой палец совпадал с направлением тока. При этом наши другие четыре пальца будут обхватывать проводник, двигаясь против часовой стрелки. Это и будет направлением линий магнитного поля.

Если взять другой проводник (CD) c противоположным направлением тока, то нужно будет развернуть правую руку большим пальцем вниз (рисунок 12). Четыре пальца, обхватывающие проводник, покажут направление магнитных линий.

{"questions":[{"content":"Если обхватить проводник с током четырьмя пальцами по направлению линий его магнитного поля, то отставленный большой палец покажет [[fill_choice_big-12]].","widgets":{"fill_choice_big-12":{"type":"fill_choice_big","options":["направление тока","направление силы тяжести","произвольное направление","направление, противоположное протеканию тока"],"answer":0}}}]}

Правило правой руки для соленоида

В отличие от правила буравчика у правила правой руки есть несомненный плюс. Мы можем его использовать не только для прямого тока, но и для соленоида/катушки с током.

Правило правой руки для соленоида:
если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

На прошлом уроке мы отмечали, что магнитное поле соленоида похоже на поле полосового магнита. В связи с этим соленоид, как и магнит, имеет полюсы: северный (N) и южный (S). Магнитные линии соленоида выходят из его северного полюса, образуя поле вне соленоида, и входят в южный (рисунок 13).

Значит, при известном направлении тока с помощью правила правой руки, мы можем определить не только направление магнитных линий внутри соленоида, но и его полюсы (рисунок 14).

Так, направив четыре пальца по току в витках соленоида, отогнутый большой палец укажет нам на северный полюс соленоида. И, наоборот, при известных полюсах мы можем с помощью этого правила определить направление тока в витках соленоида.

Правило правой руки можно использовать и для одиночного витка с током. Если четыре пальца сонаправить протеканию тока, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля в центре витка.

{"questions":[{"content":"Если обхватить соленоид правой рукой так, чтобы четыре пальца располагались по направлению тока в витках, то отставленный большой палец укажет на [[fill_choice_big-16]].","widgets":{"fill_choice_big-16":{"type":"fill_choice_big","options":["южный полюс соленоида","северный полюс соленоида"],"answer":1}}}]}

Упражнения

Упражнение № 1

На рисунке 15 изображен проволочный прямоугольник, направление тока в нем показано стрелками. Перечертите рисунок в тетрадь и, пользуясь правилом буравчика, начертите вокруг каждой из его четырех сторон по одной магнитной линии, указав стрелкой ее направление.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Для определения направления линий магнитного поля в нашем воображении вкручиваем мнимый буравчик по направлению тока (рисунок 16).

Например, на участке AB магнитные линии будут выходить из рисунка слева от проводника и входить в плоскость рисунка справа от него. Это можно дополнительно обозначить в виде точки слева от проводника и крестика справа от него.

Если вы предпочитаете правило правой руки, то можно воспользоваться им вместо правила буравчика. Обхватываем в нашем воображении правой рукой каждый участок проводника так, чтобы направление тока совпадало с направлением большого пальца (рисунок 17). Четыре пальца покажут нам направление магнитных линий.

Упражнение № 2

Определите направление тока в соленоиде и полюсы источника тока (рисунок 18), если при прохождении тока в соленоиде возникают указанные на рисунке магнитные полюсы.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Для определения направления тока будем использовать правило правой руки. Обхватываем в нашем воображении соленоид таким образом, чтобы отставленный большой палец указывал на северный полюс. Тогда четыре согнутых пальца укажут нам направление тока (рисунок 19). Они обхватывают проводник снизу, поднимаясь наверх, как и направлен ток. При этом ток всегда протекает от положительного полюса источника к отрицательному. Значит правый полюс источника будет положительным, а левый — отрицательным.

Упражнение № 3

Направление тока в витках обмотки подковообразного электромагнита показано стрелками (рисунок 20). Определите полюсы электромагнита.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Электромагнит представляет собой стальной сердечник U-образной формы. На сердечник надеты две одинаковые катушки. При прохождении тока по обмоткам катушек сердечник приобретает свойства магнита (рисунок 21). Магнитные линии его поля выходят из северного полюса и входят в южный.

На рисунке 20 электромагнит изображен в плоскости, перпендикулярной чертежу. Используем правило правой руки (или правило буравчика). Если представить, что правой рукой мы обхватываем левую катушку так, чтобы пальцы закрывались в кулак по направлению тока, то большой палец будет смотреть от нас. Значит, магнитные линии направлены также от нас. Проделываем то же самое с правой катушкой. Здесь магнитные линии будут направлены к нам.

Значит, слева находится южный полюс электромагнита, а справа — северный (рисунок 22).

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Ток, текущий по проводу, создает магнитное поле. Если мы возьмем два таких провода, то каждый из них будет создавать собственное магнитное поле. Если расположить два таких провода параллельно, то они будут притягиваться друг к другу (рисунок 23, а).

Если бы токи были направлены в проводах противоположно друг другу, то проводники бы отталкивались (рисунок 23, б). Это явление объясняется действием одного магнитного поля с силой Ампера на другое магнитное поле (изучается в курсах физики старших классов). Взаимодействие проводов обусловлено магнитными силами.

По аналогии с проводами мы можем сказать, что пучки электронов тоже создают вокруг себя магнитные поля. Однако, они отталкиваются друг от друга. Значит, силы электростатического отталкивания одноименных зарядов электронов больше, чем силы их магнитного взаимодействия. Поэтому мы можем смело заявить, что отталкивание пучков электронов друг от друга обусловлено электрическими силами.

Часто задаваемые вопросы