"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Направление тока принимают за направление движения положительных зарядов — от плюса источника к минусу. По нему можно определить направление магнитного поля вокруг проводника и полюсы катушки. Магнитные линии показывают поле в каждой точке, а правила буравчика и правой руки помогают быстро установить их направление. Эти знания нужны при изучении силы Ампера, электромагнитов, двигателей и генераторов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Направление тока — принятое направление движения положительных электрических зарядов во внешней цепи: от положительного полюса источника к отрицательному. В металлах электроны движутся в обратную сторону, но для единообразия используют именно это условное направление. Оно нужно, чтобы одинаково описывать действие тока в любых цепях.
Магнитные линии — воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке показывает направление магнитного поля. Самих линий в пространстве нет: это удобный способ изобразить поле. По ним можно понять, куда повернётся северный конец маленькой магнитной стрелки.
Правило буравчика помогает определить направление магнитных линий вокруг прямого проводника с током. Если поступательное движение буравчика направить по току, вращение его рукоятки укажет направление линий. Правило связывает два взаимно перпендикулярных направления и предотвращает путаницу.
Правило правой руки определяет магнитные полюсы катушки по направлению тока в её витках. Согнутые пальцы направляют по току, а большой палец показывает северный полюс. Это правило удобно, когда проводник свернут в спираль и нужно быстро найти её полюсы.
Направление тока связывают с движением положительных зарядов потому, что такое соглашение появилось до открытия электрона. Позднее выяснилось, что в металлических проводниках перемещаются отрицательные электроны. Отрицательный заряд движется в сторону, противоположную направлению силы тока, поэтому в задачах нельзя автоматически заменять одно направление другим.
Магнитную стрелку можно рассматривать как маленький указатель направления поля. В каждой точке она поворачивается так, чтобы её северный конец был направлен по магнитной линии. Если мысленно перемещать стрелку по полю, последовательность её положений и даст направление линий.
Вокруг прямого проводника поле возникает из-за движения зарядов. Из-за цилиндрической симметрии у всех точек, находящихся на одинаковом расстоянии от провода, одинаковые условия, поэтому линии образуют окружности с центром на проводнике. При изменении направления тока меняется и направление обхода этих окружностей.
Для правила буравчика представьте, что его стержень совпадает с прямым проводником. Поступательное движение буравчика должно быть направлено так же, как ток. Тогда вращение рукоятки показывает, в какую сторону идут магнитные линии; если ток изменить на противоположный, вращение также изменится на противоположное.
У катушки магнитные поля отдельных витков складываются внутри неё и образуют общее поле с двумя полюсами. Направьте согнутые пальцы правой руки по току в витках: большой палец укажет направление к северному полюсу. Если смотреть на торец катушки и ток идёт против часовой стрелки, этот торец является северным; при токе по часовой стрелке он южный.
| Источник магнитного поля | Особенность магнитных линий | Правило определения направления | Дополнительный вывод |
|---|---|---|---|
| Прямой проводник с током | Концентрические окружности вокруг проводника | Правило буравчика или правой руки | При увеличении расстояния поле обычно ослабевает |
| Круговой проводник с током | Линии проходят через область внутри витка и замыкаются снаружи | Сложить направления полей разных участков витка | В центре витка поле сильнее, чем вдали от него |
| Катушка с током | Поле похоже на поле постоянного магнита | Пальцы правой руки по току, большой палец к северному полюсу | У катушки есть северный и южный полюсы |
| Соленоид с током | Внутри длинной катушки линии почти параллельны | Правило правой руки для витков | Поле внутри близко к однородному |
Сначала определите вид проводника, а затем выберите подходящее правило. Для прямого провода ищут направление касательной к окружности, а для катушки — её северный полюс. При решении обратной задачи рассуждение проводят в обратном направлении: от линий поля к току.
Прямой проводник расположен вертикально на плоскости страницы, ток направлен вверх. Требуется найти направление магнитных линий в точке справа от провода. Нужно определить не саму окружность, а направление касательной к ней в данной точке.
Ответ: магнитное поле в указанной точке направлено от наблюдателя, вглубь страницы.
Ток в витке катушки виден наблюдателю направленным против часовой стрелки. Определим, какой полюс обращён к наблюдателю. Направление нужно оценивать именно со стороны наблюдателя, поскольку при взгляде с противоположной стороны картина меняется.
Ответ: к наблюдателю обращён северный полюс катушки.
На рисунке магнитные линии вокруг проводника направлены против часовой стрелки, если смотреть сверху. Требуется восстановить направление тока. Это обратное применение правила буравчика: сначала по вращению линий определяют поступательное движение.
Ответ: ток направлен к наблюдателю, то есть вверх относительно выбранного вида.
Путают направление тока с движением электронов. Ошибка возникает потому, что в металлическом проводнике электроны действительно движутся противоположно условному току. Проверьте себя: сначала назовите носитель заряда, а затем вспомните, что направление тока принято за движение положительных зарядов.
Считают, что снаружи магнита линии идут от южного полюса к северному. Такое направление относится к внутренней части замкнутых магнитных линий, а вне магнита они идут от северного полюса к южному. Проверка проста: северный конец магнитной стрелки направлен от северного полюса наружу.
В правиле буравчика меняют местами поступательное движение и вращение. Из-за этого получают направление поля, противоположное правильному. Сначала всегда задайте движение буравчика по току, а только потом определяйте вращение рукоятки.
Полюс катушки определяют без указания стороны наблюдения. Одна и та же катушка выглядит для наблюдателей с разных торцов по-разному. Сначала уточните, откуда вы смотрите, затем направьте пальцы по току и используйте большой палец как указатель северного полюса.
Для понимания темы нужны представления об электрическом токе, проводнике с током, магнитном поле и магнитных линиях. Определение направления поля позволяет находить направление силы Ампера и силы Лоренца, действующих на проводники и заряженные частицы. Те же правила применяют при изучении электромагнитов, катушек, электродвигателей и генераторов.
Почему направление тока противоположно направлению движения электронов?
Направление тока исторически определили как направление движения положительных зарядов. В металлах носителями заряда являются электроны, поэтому они движутся от отрицательного полюса к положительному, то есть противоположно принятому направлению тока.
Как определить направление магнитного поля около прямого проводника?
Используйте правило буравчика или правой руки. Если большой палец правой руки направить по току, согнутые пальцы покажут направление магнитных линий.
Чем правило буравчика отличается от правила правой руки?
Правило буравчика связывает поступательное движение буравчика с током, а вращение рукоятки — с магнитными линиями. Правило правой руки использует большой палец для направления тока или северного полюса, а согнутые пальцы — для направления поля.
Как узнать, где у катушки северный полюс?
Направьте согнутые пальцы правой руки по току в витках катушки. Отставленный большой палец покажет направление на северный полюс.
Можно ли по направлению магнитных линий определить направление тока?
Да, можно применить правило буравчика в обратную сторону. По направлению вращения магнитных линий определяют, куда должен двигаться буравчик, а это и будет направление тока.
§ 35 Направление тока и направление линий его магнитного поля
