Правило левой руки


PrintИз экспериментальных занятий по физике можно заключить, что магнитное поле оказывает воздействие на заряженные частицы, находящиеся в движении, а, следовательно, и на проводники с током. Сила воздействия магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера, а ее векторное направление устанавливает правило левой руки.

Понятие о силе Ампера

Сила Ампера находится в прямо пропорциональной зависимости от индукции магнитного поля, силы тока в проводнике, длины проводника и угла расположения вектора магнитного поля по отношению к проводнику. Математическое написание этой зависимости получило название закон Ампера:

FА=B*I*l*sinα

Исходя из этой формулы, можно сделать вывод о том, что при α=0° (параллельное положение проводника) сила FА будет равняться нулю, а при α=90° (перпендикулярное направление проводника) она будет максимальной.

Свойства силы, действующей на проводник с электрическим током в магнитном поле, были подробно описаны в трудах А. Ампера.

lev2Если сила Ампера действует на весь проводник с проходящим током (поток заряженных частиц), то отдельная движущаяся положительно заряженная частица находится под влиянием силы Лоренца. Выразить силу Лоренца можно через FА, разделив эту величину на количество движущихся зарядов внутри проводника (концентрацию носителей заряда).

В магнитном поле под влиянием силы Лоренца заряд движется по окружности, при условии, что направление его движения перпендикулярно линиям индукции.

Сила Лоренца рассчитывается по следующей формуле:

FЛ=q*v*B*sinα

Определение направления действия сил

Проведя серию физических экспериментов с использованием магнитных полюсов, как источника однородного магнитного поля. и рамки с током, можно наблюдать изменение поведения рамки (выталкивается или втягивается в зону  распространения магнитного поля) при изменении не только направления заряженных частиц, но и при смене ориентации полюсов. Таким образом, вектор магнитной индукции, вектор скорости заряженных частиц (направление тока) и вектор силы находятся в тесном взаимодействии и ориентированны взаимно перпендикулярно.

lev3Для определения направления работы сил Лоренца и Ампера следует пользоваться правилом левой руки: «Если ладонь левой руки развернуть таким образом, чтобы в нее под прямым углом входили линии магнитного поля, а вытянутые пальцы располагались по направлению электрического тока (направление движения частиц с положительным зарядом), то направление действия силы укажет перпендикулярно отодвинутый большой палец».

Такая упрощенная формулировка позволяет быстро и безошибочно определить направление любого неизвестного вектора: силы, тока или линий индукции магнитного поля.

Правило левой руки применимо в случаях, когда:

  • определяется направление действия силы на положительно заряженные частицы (для отрицательно заряженных частиц направление будет противоположным);
  • линии индукции магнитного поля и вектор скорости заряженных частиц образуют угол отличный от нуля (в противном случае сила не будет действовать на проводник).

В однородном магнитном поле рамка с током располагается так, что линии магнитного поля проходят через ее плоскость под прямым углом.

Взаимодействие проводников в магнитном поле

lev4Если магнитное поле образуется вокруг линейного проводника с током, то оно считается неоднородным (переменным во времени и пространстве). В таком поле рамка с током будет не просто ориентироваться как-то определенно, но и притягиваться к проводнику с током или выталкиваться за пределы распространения магнитного поля. Поведение рамки определяется направлением токов в проводнике и рамке. Рамка с током всегда поворачивается вдоль радиуса линий индукции неоднородного магнитного поля.

Если рассмотреть два проводника с токами, движущимися в одном направлении, то с использованием правила левой руки можно установить, что сила, действующая на правый проводник, будет направлена влево, тогда как сила, действующая на левый проводник — вправо. Следовательно, получается что силы, воздействующие на проводники, направлены друг к другу. Именно этим заключением объясняется притягиванием проводников с однонаправленными токами.

Если же ток в двух параллельных проводниках будет идти в противоположных направлениях, то действующие силы будут направлены в разные стороны. Это приведет к отталкиванию двух проводников.

На рамку с током, помещенную в неоднородное магнитное поле, оказывают действие силы разных направлений, заставляющие ее вращаться. На этом явлении и основан принцип действия электродвигателя.

Применение правила левой руки имеет большое практическое значение и является следствием многократных экспериментов, открывающих природу магнитного поля.

Видео про правило левой руки