5. Правило Буравчика

Определения и обозначения

Магнитное поле прямого тока — поле, которое возникает вокруг прямого проводника, когда по нему течёт электрический ток. Его направление не одинаково во всех точках: в каждой точке оно задаётся отдельно. Поэтому, отвечая на вопрос о направлении поля, нужно указать, где именно находится рассматриваемая точка.

Линии магнитной индукции — воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке показывает направление магнитной индукции. Для прямого проводника с током это окружности с центром на проводнике. Такое изображение помогает наглядно увидеть, как направлено поле вокруг тока.

Правило буравчика — способ определить направление линий магнитной индукции по направлению тока в прямом проводнике. Поступательное движение буравчика мысленно направляют по току, а его вращение используют как подсказку для направления поля. Правило удобно, когда направление не удаётся определить только по схеме.

Направление магнитной индукции — направление вектора магнитной индукции B в выбранной точке поля. Оно совпадает с направлением касательной к линии магнитной индукции в этой точке. Это уточнение важно, потому что у окружности в разных точках касательные направлены по-разному.

Как это устроено

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, а движущиеся заряды создают магнитное поле. Поэтому поле появляется не только внутри проводника, но и в пространстве вокруг него. Его направление можно проверять магнитной стрелкой: в каждой точке стрелка ориентируется вдоль магнитного поля. Так обнаруживается, что поле прямого тока не направлено вдоль провода.

Вокруг прямого проводника направление поля обходит его по кругу. Это связано с симметрией ситуации: если проводник длинный и прямой, то пространство вокруг него устроено одинаково при повороте вокруг его оси. Поэтому линии поля не выделяют какую-то одну сторону, а образуют окружности с центром на проводнике. В каждой точке направление поля задаёт касательная к такой окружности.

Чтобы применить правило буравчика, представьте винтовой буравчик, который движется поступательно и одновременно вращается. Направьте его движение вдоль тока: именно поступательное движение отвечает за направление тока, а не вращение ручки. После этого посмотрите, в какую сторону вращается ручка буравчика. Это вращение показывает, в какую сторону направлены линии магнитной индукции вокруг проводника.

На схеме сначала выясните, куда направлен ток: вдоль линии, к наблюдателю или от него. Затем мысленно совместите с током поступательное движение буравчика и проследите вращение. Если ток перпендикулярен плоскости рисунка, обозначение точки обычно означает направление к наблюдателю, а крестика — от наблюдателя. Не меняйте местами эти обозначения: от выбора направления тока зависит результат.

Правило можно применять и наоборот. Если на схеме уже показана стрелка линии магнитной индукции, мысленно задайте вращение буравчика в ту же сторону, что и стрелка. Направление его поступательного движения подскажет направление тока. При обращении тока меняется и вращение буравчика, поэтому направление магнитного поля становится противоположным. Значит, чтобы решить такую задачу, достаточно сравнить направления до и после обращения тока.

Применение правила буравчика для прямого проводника с током

Сначала найдите в таблице строку с тем, что известно в условии. Затем используйте соответствующее движение или вращение буравчика и определите искомое направление. Для точки на конкретной стороне проводника дополнительно найдите направление касательной к окружности поля.

Разбор задач

Задача 1. Прямой проводник перпендикулярен плоскости рисунка; ток направлен к наблюдателю. Определите направление линий магнитной индукции. Здесь нужно установить, как поле обходит проводник, если ток выходит из плоскости рисунка к нам. Для ответа применим правило буравчика.

1. Представьте, что буравчик расположен вдоль проводника. Его поступательное движение направьте к себе — так же, как направлен ток.
2. Проследите вращение ручки, глядя со стороны наблюдателя. При движении буравчика к наблюдателю ручка вращается против часовой стрелки.
3. Считайте направление вращения направлением обхода линий поля вокруг проводника. Линии представляют собой окружности, поэтому обход против часовой стрелки относится ко всему контуру.

Ответ: при взгляде со стороны наблюдателя линии магнитной индукции направлены против часовой стрелки.

Задача 2. Ток в прямом проводнике направлен вертикально вниз. Укажите направление магнитного поля в точках справа и слева от проводника. В каждой точке нужно определить касательное направление к окружности поля, поэтому нельзя ограничиться одним общим ответом для обеих сторон. Удобно мысленно совместить буравчик с током и отдельно рассмотреть каждую точку.

1. Направьте поступательное движение буравчика вниз вдоль проводника, поскольку вниз направлен ток.
2. Рассмотрите точку справа от провода. По правилу вращения и касательной к окружности поле в этой точке направлено к наблюдателю, то есть из плоскости рисунка.
3. Теперь рассмотрите точку слева. На противоположной стороне окружности касательная направлена противоположно: поле уходит от наблюдателя, в плоскость рисунка.

Ответ: справа от проводника магнитное поле направлено к наблюдателю, слева — от наблюдателя.

Задача 3. На рисунке показаны прямой проводник и направление магнитной линии вокруг него. Определите направление тока и объясните, что изменится при его обращении. Здесь известно вращение, поэтому правило буравчика применяем в обратную сторону. Поскольку конкретная стрелка линии не задана, направление тока следует указать относительно показанного вращения.

1. Установите, в какую сторону направлена стрелка магнитной линии: по часовой стрелке или против неё.
2. Мысленно заставьте буравчик вращаться так же, как указано стрелкой. Направление его поступательного движения вдоль проводника и есть направление тока.
3. Если ток обратить, поступательное движение буравчика станет противоположным. Его вращение тоже изменится, следовательно, направление линий поля станет обратным.

Ответ: ток направлен вдоль проводника в сторону поступательного движения буравчика при заданном вращении. При обращении тока магнитное поле также меняет направление на противоположное.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что поступательное движение буравчика показывает поле, а вращение соответствует току. Её допускают, потому что буравчик одновременно движется и поворачивается. Проверьте себя: движение вдоль проводника всегда задают по току, а вращение используют для определения магнитного поля.

Вторая ошибка — не учитывать, направлен ток к наблюдателю или от него. Тогда в воображаемом опыте буравчик движется не в ту сторону и результат получается обратным. Перед применением правила явно назовите направление тока и проверьте, означает ли схема выход из плоскости или вход в неё.

Третья ошибка — рисовать линии магнитного поля вдоль прямого проводника. Так могут рассуждать, представляя поле продолжением тока, однако линии магнитной индукции прямого тока — окружности вокруг провода. Сверьте рисунок с правилом: направление поля должно быть касательным к окружности, а не совпадать с осью проводника.

Четвёртая ошибка — определить направление поля с одной стороны провода и перенести его на другую. Это неверно, потому что касательные к окружности на противоположных сторонах имеют противоположные направления. Проверяйте каждую точку отдельно: мысленно найдите её положение на окружности и укажите касательную именно там.

Связь с другими темами

Для применения правила нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и различать направления «к наблюдателю» и «от наблюдателя». Это умение пригодится при чтении схем, где проводник направлен перпендикулярно плоскости рисунка. Правило буравчика затем используют при изучении магнитного поля витка и катушки с током: оно помогает связывать направление тока с направлением поля. Понимание направления поля также необходимо при определении направлений магнитных сил.

Что запомнить

• Магнитное поле прямого тока окружает проводник.
• Линии магнитной индукции прямого тока — окружности вокруг проводника.
• Поступательное движение буравчика направляют по току.
• Вращение буравчика показывает направление магнитного поля.
• При обращении тока направление магнитного поля меняется на противоположное.
• Направление поля определяют отдельно для каждой точки.