Правило буравчика. Применение и особенности. Отличия

Мнемонические приемы, касающиеся правых или левых рук исследователей, широко представлены в школьных учебниках по классической физике. В частности, они довольно часто применяются в некоторых разделах электротехники и механики. Правило буравчика (обозначим его как «ПБ») используется в них при необходимости понять ту или иную техническую информацию на интуитивном уровне.

Первым ученым, которому удалось четко сформулировать мнемоническое утверждение о направлении магнитного поля вокруг проводника с током, был физик Петр Буравчик. Его именем и названо соответствующее правило, позволяющее определять ориентацию аксиальных векторов при известном базисном направлении.

Где чаще всего применяется правило буравчика

Взрослые люди наверняка хорошо помнят несложную мнемоническую задачку из своего школьного прошлого, когда правило упоминалось сразу в нескольких разделах физики. Оно постоянно встречается не только в курсе электротехники, где с его помощью узнается направление магнитного поля. Это правило также встречается в механике и позволяет определиться с направлением угловой скорости вращения материальной точки.

При применении ПБ всегда учитывается, что реальный винт, штопор или названный по имени ученого «буравчик», вворачивающийся в материал, имеет правую резьбу. Это означает, что при вкручивании для исполнителя работ он должен вращаться по часовой стрелке.

Кроме того, важно обратить внимание на то, что вворачиваться винт должен правой рукой. Лишь при соблюдении всех перечисленных условий правило буравчика будет выполняться как физическое утверждение, имеющее законные обоснования.

Особенности применения правила в электротехнике

В электротехнике очень часто встречаются задачи, при решении которых требуется определить направление тока при известном векторе магнитной индукции или наоборот. Благодаря применению правила буравчика удается полностью описать действующее вокруг проводника магнитное поле и рассчитать его характеристические параметры.

Перед обоснованием этого утверждения необходимо вспомнить о том, как определяется токовый вектор в электротехнике.

Согласно определению ток – это упорядоченное и направленное перемещение заряженных электрических частичек (электронов). При наличии внешнего э/м поля они начинают двигаться от точки с большим потенциалом («плюс») к «минусовому» полюсу.

В правило буравчика в данном случае вкладывается следующий смысл: при его вкручивании по вектору протекания тока рукоятка изделия будет вращаться по направлению расположения линий магнитной индукции.

Pravilo buravchika 2

Визуальное подтверждение правила правой руки (буравчика)

Для наглядности подтверждения правила обычно проводят эксперимент с металлическими опилками, рассыпаемыми на чистом листе бумаги. Предварительно в его центральной части проделывается отверстие, через которое продевается электрический проводник. Если начать пропускать через него ток заданной величины – можно будет наблюдать распределение опилок по концентрическим окружностям, образующимся вокруг центрального отверстия.

Согласно правилу буравчика, вектор касательной к этим магнитным линиям совпадет с движением по часовой стрелке.

При изменении направления тока образуются такие же линии, но их вектор для экспериментатора будет направлен в противоположную сторону (если рассматривать его с той же позиции, что и в первом случае).

Магнитное поле в сложных конструкциях

Все, о чем было написано ранее, справедливо только для одиночного линейного проводника с током. Ситуация существенно меняется, если дело приходится иметь, например, с катушкой соленоида, состоящей из множества витков того же провода. Несложно догадаться, что в данном случае магнитное поле в каждой точке окружности, по которой располагается проводник, будет определяться аналогичным образом.

Но для получения суммарного распределения образующегося вокруг соленоида поля потребуется сложить все полученные результаты для каждой точки в векторной форме. Общая картина будет напоминать сложную пространственную фигуру с входящими в центр катушки и выходящими из нее силовыми линиями (Рис-1). Она полностью совпадает с аналогичным распределением для постоянного магнита (Рис-2).

Pravilo buravchika 3

Определение направления тока

До сих пор рассматривался вопрос нахождения вектора магнитного поля по известному направлению протекания отрицательно заряженных частиц. Но нередко приходится решать обратную задачу – по известному распределению силовых линий и их направлению определять вектор тока, протекающего в проводнике.

В этом случае действовать следует так:

Сначала нужно расположить буравчик вдоль линий силового поля по направлению действующего вектора.
Далее следует начать вращать его правой рукой по часовой стрелке.
Направление вращения укажет, куда будет протекать ток в проводнике.

Точно таким же образом определяется искомая векторная величина в соленоиде и в других сложных по конструкции электротехнических изделиях.

Чем отличается ПБ от правила левой руки

При освоении мнемонических аналогий не следует путать правило буравчика со схожим с ним утверждением, касающимся левой руки. Второй вариант подходит лишь для случая, когда необходимо определить направление силы, действующей на проводник в магнитном поле.

Порядок ее нахождения выглядит в этом случае так:

Сначала следует выпрямить ладонь левой руки.
Затем нужно разместить пальцы вдоль линии проводника (их положение укажет направление протекания тока «I»).
При этом линии силового электрического поля будут проходить через открытую ладонь.
А отставленный в сторону большой палец укажет на направление действия силы, отклоняющей проводник в магнитном поле.

Pravila levoi ruki

Из описания порядка нахождения этого вектора видно, что оно существенно отличается от того, на что указывает правило буравчика.

Приемы, касающиеся левой руки, применяются и при исследовании особенностей движения отдельных заряженных частиц (с положительным или отрицательным зарядом – не имеет значения). Предположим, что в действующем магнитном поле перемещается заряженная частица со знаком плюс (ион). При этом силовые линии вектора индукции перпендикулярны ее смещению.

Для определения действующей на частицу силы необходимо направить пальцы открытой ладони в сторону движения. Тогда вектор напряженности «B» будет действовать сквозь открытую ладонь (пронизывать ее). А отставленный в сторону большой палец укажет на направление действия вектора силы. При отрицательно заряженной частице пальцы в начале действия направляются в противоположную сторону.

Правило буравчика в разделах механики

ПБ и правило правой руки применяются и в тех случаях, когда необходимо определить угловую скорость вращающейся материальной точки. Но прежде потребуется ознакомиться с составляющими кругового движения, содержащего следующие компоненты:

Линейная скорость «υ».
Ее угловая составляющая «ω».
Вектор, соединяющий базовую и обследуемую точки, обозначаемый как «r».

Все перечисленные параметры взаимосвязаны, что позволяет представить их в виде векторного произведения, которые приведены формулой:

Formula

Правило буравчика для угловой скорости формулируется так: «При вкручивании инструмента по направлению вращения его рабочей части вектор угловой скорости расположен по касательной к окружности, которую описывает ручка». В случае вворачивания буравчика по часовой стрелке он направлен вправо (Рис-А).

Pravilo buravchika 4

При использовании правила правой руки трактовка определения угловой скорости может быть представлена в более простом виде:

«Если вращающееся тело зажать в вертикально расположенную ладонь правой руки, то на вектор угловой скорости укажет отставленный в сторону большой палец» (Рис-Б). Остальных четыре покажут направление его вращения.

Определение момента силы

В разделах механики правило буравчика широко применяется и для определения момента силы, действующей на точки системы. Рассчитывается этот параметр по следующей простой формуле:

Formula 2

В представленном выражении задействованы следующие физические показатели:

«М» – суммарный момент сил, действующих на все точки системы.
«ri» – это вектор положения одной точки «i».
«Fi» – приложенная к ней сила.

Применительно к этому моменту в механике правило буравчика трактуется следующим образом: если вкручивать его в направлении перемещения объекта, то действующие на него силы будут направлены по касательной к описываемому им кругу.

В качестве примера рассмотрим вворачивание шурупа в деревянное основание. Под действием приложенной к нему силы с касательной составляющей метиз будет вкручиваться по направлению вращения рукояти отвертки.

Эту операцию можно представить и в более понятном визуальном виде. В этом случае удобнее воспользоваться правилом правой руки, которое трактуется так:

Pravilo buravchika 5

Сначала обследуемый предмет нужно взять в правую руку, после чего на него следует надавить в направлении желательного перемещения (его укажет выставленный вверх большой палец). При этом остальные четыре пальца руки покажут направление действия силы по касательной к круговой траектории в каждой точке вращения объекта.