"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Правило левой руки позволяет определить направление магнитной силы, действующей на проводник с током или движущийся электрический заряд. Оно связывает направление магнитной индукции, тока или скорости заряда и силы, возникающей в поле. Правило применяют при изучении силы Ампера, силы Лоренца и работы электродвигателей. Нужно помнить: сила перпендикулярна и магнитному полю, и направлению движения заряда или тока.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Правило левой руки — способ определить направление силы, действующей на проводник с током или движущийся заряд в магнитном поле. Оно не вычисляет численное значение силы, а показывает, в какую сторону она направлена. Это помогает понять движение проводника или частицы без громоздких рассуждений.
Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её модуль находят по формуле F = BIl sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина проводника, α — угол между проводником и полем. По этим величинам можно определить, насколько сильным будет действие поля.
Сила Лоренца — сила, с которой магнитное поле действует на движущийся электрический заряд. Она возникает именно при движении заряда относительно поля и меняет направление движения, а не обязательно увеличивает или уменьшает скорость. Для определения её направления используют скорость положительного заряда.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле. Направление вектора B задаёт направление линий магнитного поля в каждой точке. Именно его, а не направление самой силы, нужно совмещать с ладонью при применении правила.
Левую руку располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току. Отогнутый на 90° большой палец показывает направление силы Ампера. Такая постановка одновременно учитывает два взаимно перпендикулярных направления, поэтому одного только направления тока недостаточно.
Сила должна быть перпендикулярна и току, и магнитному полю, потому что магнитное действие связано с поперечным движением проводника относительно линий поля. Это отражено множителем sin α в формуле F = BIl sin α. Если ток и поле направлены под углом, сила занимает третье направление, перпендикулярное первым двум.
При параллельных направлениях тока и поля α равно 0° или 180°, поэтому sin α = 0 и сила Ампера отсутствует. При перпендикулярном расположении α = 90°, sin α = 1, поэтому сила максимальна при данных B, I и l. Значит, правило показывает направление силы, а формула дополнительно сообщает её величину.
Для движущегося положительного заряда пальцы направляют не по току, а по скорости частицы. Это связано с тем, что условное направление тока совпадает с движением положительных зарядов. У отрицательного заряда, например электрона, направление силы противоположно результату, полученному для положительного заряда с той же скоростью.
Если обратить только ток, большой палец развернётся в противоположную сторону, поскольку изменится один из двух исходных векторов. То же произойдёт при обращении только магнитного поля. Если одновременно обратить и ток, и поле, два изменения компенсируют друг друга, поэтому направление силы останется прежним.
| Что рассматриваем | Направление по правилу левой руки | Что учесть |
|---|---|---|
| Проводник с током | Пальцы — по условному току, большой палец — по силе Ампера | Поле должно входить в ладонь |
| Движущийся положительный заряд | Пальцы — по скорости заряда, большой палец — по силе Лоренца | Скорость положительного заряда используют как направление тока |
| Движущийся отрицательный заряд | Сначала находят результат для положительного заряда, затем меняют его | Заряд противоположен по знаку |
| Ток или скорость параллельны магнитному полю | Направление силы не определяется, потому что сила равна нулю | sin α = 0 |
| Обращение направления тока, скорости или магнитного поля | При обращении одного направления сила меняет направление | При обращении обоих направлений сила сохраняет направление |
Сначала определите, что именно движется: проводник с током или заряд. Затем совместите поле с ладонью и только после этого направляйте пальцы по току или скорости положительного заряда.
Если направления параллельны, пользоваться положением большого пальца не нужно: магнитная сила равна нулю. При работе с отрицательным зарядом обязательно выполните дополнительный разворот результата.
Условие: прямой проводник с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции. По направлениям тока и поля требуется определить силу Ампера. Конкретное направление зависит от стрелок на схеме.
Ответ: направление силы задаётся большим пальцем. Если в исходной схеме изменить направление только тока или только поля, ответ нужно развернуть на 180°.
Условие: положительный заряд движется в однородном магнитном поле. По направлениям скорости и магнитной индукции нужно определить силу Лоренца.
Ответ: сила направлена перпендикулярно скорости заряда и магнитному полю, в сторону, которую показывает большой палец. Если скорость параллельна полю, сила равна нулю.
Условие: отрицательный заряд движется перпендикулярно магнитному полю, затем направление поля обращают. Требуется сравнить силы до и после изменения поля.
Ответ: после обращения поля сила изменит направление на противоположное, но останется перпендикулярной скорости и полю. Для отрицательного заряда оба результата противоположны соответствующим результатам для положительного.
Некоторые путают направление магнитной индукции с направлением силы. Они направляют ладонь по силе или пытаются показать силу пальцами. Проверьте себя: поле входит в ладонь, ток идёт по четырём пальцам, а силу показывает большой палец.
При движении электрона пальцы иногда направляют по его скорости и сразу принимают большой палец за ответ. Ошибка возникает из-за отрицательного заряда электрона. Сначала найдите направление для положительного заряда, затем замените его на противоположное.
Иногда считают, что сила обязательно действует при любом движении в поле. Но при движении вдоль линий поля угол α равен 0° или 180°, поэтому F = BIl sin α = 0. Сравните направление скорости или тока с направлением B до применения правила.
Ещё одна ошибка — сохранять прежнее направление силы после изменения тока или поля. Обращение одного из этих направлений разворачивает силу. Проверьте, сколько направлений изменилось: одно меняет результат, два изменения взаимно компенсируются.
Для применения правила нужно знать, что магнитное поле описывается вектором магнитной индукции и имеет направление. Также необходимо различать условное направление тока и движение электронов: они противоположны. Правило используется при изучении движения заряженных частиц, силы Ампера и принципа действия электродвигателя.
Как правильно расположить левую руку?
Расположите левую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь. Четыре вытянутых пальца направьте по току, а для положительного заряда — по его скорости. Отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы.
Куда направлять пальцы, если рассматривается движение заряда, а не ток?
Для положительного заряда четыре пальца направляют по направлению его скорости. Для отрицательного заряда сначала используют это же направление, находят результат для положительного заряда, а затем меняют его на противоположное.
Как определить направление силы для электрона?
Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому направление силы для него противоположно направлению, полученному для положительного заряда, движущегося с той же скоростью. Сначала примените правило левой руки к условному положительному заряду, затем разверните большой палец.
Будет ли сила, если проводник расположен вдоль линий магнитного поля?
Нет, магнитная сила равна нулю, если ток направлен вдоль магнитного поля. В формуле F = BIl sin α угол α равен 0° или 180°, а синус такого угла равен нулю.
Что произойдёт с направлением силы, если поменять полюса магнита?
При смене полюсов направление магнитного поля обращается. Если ток или скорость заряда не меняются, направление силы также изменится на противоположное.
3. Правило левой руки
