Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Мнемоническое правило для определения направления движения
Mnemonic to determine motion direction
Правило левой руки Флеминга для электродвигателей – одно из двух наглядных мнемонических правил, второе из которых – правило правой руки Флеминга для генераторов. Они были разработаны Джоном Амброзом Флемингом в конце XIX века как простой способ определения направления движения в электродвигателе или направления электрического тока в электрическом генераторе. Когда ток протекает по проводящему проводу, а к этому потоку приложено внешнее магнитное поле, проводящий провод испытывает силу, перпендикулярную как этому полю, так и направлению тока (то есть они взаимно перпендикулярны). Левую руку можно расположить, как показано на иллюстрации, чтобы представить три взаимно ортогональные оси на большом, указательном и среднем пальцах. Каждому пальцу затем присваивается величина (механическая сила, магнитное поле и электрический ток). Для генераторов используется правая рука, а для двигателей – левая.
Fleming's left hand rule for electric motors is one of a pair of visual mnemonics, the other being Fleming's right hand rule for generators. They were originated by John Ambrose Fleming, in the late 19th century, as a simple way of working out the direction of motion in an electric motor, or the direction of electric current in an electric generator. When current flows through a conducting wire, and an external magnetic field is applied across that flow, the conducting wire experiences a force perpendicular both to that field and to the direction of the current flow (i. e. they are mutually perpendicular). A left hand can be held, as shown in the illustration, so as to represent three mutually orthogonal axes on the thumb, fore finger and middle finger. Each finger is then assigned to a quantity (mechanical force, magnetic field and electric current). The right and left hand are used for generators and motors respectively.
Первый вариант
Большой палец указывает направление движения проводника. Указательный палец указывает направление магнитного поля. Средний палец указывает направление тока.
The Thumb represents the direction of the Motion of the Conductor. The Fore finger represents the direction of the magnetic Field. The Centre finger represents the direction of the Current.
Третий вариант
Перевод Ван де Граффа правил Флеминга — правило ФБР, которое легко запомнить, так как это аббревиатура Федерального бюро расследований.
Van de Graaff's translation of Fleming's rules is the FBI rule, easily remembered because these are the initials of the Federal Bureau of Investigation.
Различие между правилом правой и левой руки
Правило левой руки Флеминга используется для электродвигателей, а правило правой руки Флеминга – для электрогенераторов. Иными словами, правило левой руки Флеминга следует использовать, если необходимо создать движение, а правило правой руки Флеминга – если необходимо создать электричество. Для двигателей и генераторов используются разные руки из-за различия между причиной и следствием. В электродвигателе существуют электрический ток и магнитное поле (являющиеся причинами), которые приводят к силе, создающей движение (являющейся следствием), поэтому используется правило левой руки. В электрогенераторе существуют движение и магнитное поле (причины), которые приводят к созданию электрического тока (следствие), поэтому используется правило правой руки. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим, что многие типы электродвигателей могут также использоваться в качестве электрогенераторов. Транспортное средство, приводимое в движение таким двигателем, может быть ускорено до высокой скорости, подключив двигатель к полностью заряженной батарее. Если затем двигатель отключить от полностью заряженной батареи и подключить к полностью разряженной, транспортное средство замедлится. Двигатель будет работать как генератор, преобразуя кинетическую энергию транспортного средства обратно в электрическую энергию, которая затем будет накапливаться в батарее. Поскольку ни направление движения, ни направление магнитного поля (внутри двигателя/генератора) не изменились, направление электрического тока в двигателе/генераторе изменилось. Это следует из второго закона термодинамики (ток генератора должен противодействовать току двигателя, и более сильный ток преобладает, позволяя энергии течь от более энергичного источника к менее энергичному).
Fleming's left hand rule is used for electric motors, while Fleming's right hand rule is used for electric generators. In other words, Fleming's left hand rule should be used if one were to create motion, while Fleming's right hand rule should be used if one were to create electricity. Different hands need to be used for motors and generators because of the differences between cause and effect. In an electric motor, the electric current and magnetic field exist (which are the causes), and they lead to the force that creates the motion (which is the effect), and so the left hand rule is used. In an electric generator, the motion and magnetic field exist (causes), and they lead to the creation of the electric current (effect), and so the right hand rule is used. To illustrate why, consider that many types of electric motors can also be used as electric generators. A vehicle powered by such a motor can be accelerated up to high speed by connecting the motor to a fully charged battery. If the motor is then disconnected from the fully charged battery, and connected instead to a completely flat battery, the vehicle will decelerate. The motor will act as a generator and convert the vehicle's kinetic energy back to electrical energy, which is then stored in the battery. Since neither the direction of motion nor the direction of the magnetic field (inside the motor/generator) has changed, the direction of the electric current in the motor/generator has reversed. This follows from the second law of thermodynamics (the generator current must oppose the motor current, and the stronger current outweighs the other to allow the energy to flow from the more energetic source to the less energetic source).
Физическая основа правил
Когда электроны или любые заряженные частицы текут в одном направлении (например, в виде электрического тока в электрическом проводнике, таком как металлический провод), они генерируют цилиндрическое магнитное поле, которое обертывается вокруг проводника (как обнаружил Ханс Кристиан Эрстед). Направление индуцированного магнитного поля можно запомнить по правилу буравчика Максвелла. То есть, если условный ток течет от наблюдателя, магнитное поле вращается вокруг проводника по часовой стрелке, в том же направлении, в котором нужно было бы вращать буравчик, чтобы удалиться от наблюдателя. Направление индуцированного магнитного поля также иногда запоминается правилом правой руки, как показано на иллюстрации, где большой палец указывает направление условного тока, а остальные пальцы – направление магнитного поля. Существование этого магнитного поля можно подтвердить, разместив магнитные компасы в различных точках вокруг периферии электрического проводника, по которому протекает относительно большой электрический ток. Большой палец показывает направление движения, указательный палец – линии поля, а средний палец – направление индуцированного тока. Если внешнее магнитное поле приложено горизонтально, так что оно пересекает поток электронов (в проводнике или в электронном пучке), два магнитных поля будут взаимодействовать. Майкл Фарадей предложил визуальную аналогию в виде воображаемых магнитных силовых линий: линии внутри проводника образуют концентрические окружности вокруг проводника, а линии во внешнем магнитном поле – параллельные линии. Если линии на одной стороне проводника направлены (от северного к южному магнитному полюсу) в противоположном направлении линиям, окружающим проводник, они отклонятся, чтобы пройти с другой стороны проводника (поскольку магнитные силовые линии не могут пересекаться или идти вразрез друг с другом). Следовательно, на этой стороне проводника будет большое количество линий магнитного поля в небольшом пространстве, а на исходной стороне – их недостаток. Поскольку линии силы магнитного поля больше не являются прямыми, а изогнутыми вокруг электрического проводника, они находятся в напряжении (как натянутые резинки), содержа энергию, заключенную в магнитном поле. Поскольку это энергетическое поле теперь в основном не встречает сопротивления, его накопление или вытеснение в одном направлении создает – по аналогии с третьим законом Ньютона – силу в противоположном направлении. Поскольку в этой системе есть только один подвижный объект (электрический проводник), на который действует эта сила, конечный эффект – это физическая сила, стремящаяся вытолкнуть электрический проводник из внешнего магнитного поля в направлении, противоположном перенаправлению магнитного потока. В данном случае (в двигателях), если проводник несет условный ток вверх, а внешнее магнитное поле удаляется от наблюдателя, физическая сила будет толкать проводник влево. Это причина возникновения крутящего момента в электродвигателе. (Электродвигатель сконструирован таким образом, что выталкивание проводника из магнитного поля приводит к его помещению в следующее магнитное поле, и это переключение продолжается бесконечно.) Закон Фарадея утверждает, что индуцированная электродвижущая сила в проводнике прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока в проводнике.
When electrons, or any charged particles, flow in the same direction (for example, as an electric current in an electrical conductor, such as a metal wire) they generate a cylindrical magnetic field that wraps round the conductor (as discovered by Hans Christian Ørsted). The direction of the induced magnetic field can be remembered by Maxwell's corkscrew rule. That is, if the conventional current is flowing away from the viewer, the magnetic field runs clockwise round the conductor, in the same direction that a corkscrew would have to turn in order to move away from the viewer. The direction of the induced magnetic field is also sometimes remembered by the right hand grip rule, as depicted in the illustration, with the thumb showing the direction of the conventional current, and the fingers showing the direction of the magnetic field. The existence of this magnetic field can be confirmed by placing magnetic compasses at various points round the periphery of an electrical conductor that is carrying a relatively large electric current. The thumb shows the direction of motion and the index finger shows the field lines and the middle finger shows the direction of induced current. If an external magnetic field is applied horizontally, so that it crosses the flow of electrons (in the wire conductor, or in the electron beam), the two magnetic fields will interact. Michael Faraday introduced a visual analogy for this, in the form of imaginary magnetic lines of force: those in the conductor form concentric circles round the conductor; those in the externally applied magnetic field run in parallel lines. If those on one side of the conductor are running (from the north to south magnetic pole) in the opposite direction to those surrounding the conductor, they will be deflected so that they pass on the other side the conductor (because magnetic lines of force cannot cross or run contrary to each other). Consequently, there will be a large number of magnetic field lines in a small space on that side of the conductor, and a dearth of them on the original side of the conductor. Since the magnetic field lines of force are no longer straight lines, but curved to run around the electrical conductor, they are under tension (like stretched elastic bands), with energy bound up in the magnetic field. Since this energetic field is now mostly unopposed, its build up or expulsion in one direction creates — in a manner analogous to Newton's third law of motion — a force in the opposite direction. Since there is only one moveable object in this system (the electrical conductor) for this force to work upon, the net effect is a physical force working to expel the electrical conductor out of the externally applied magnetic field in the direction opposite to that which the magnetic flux is being redirected to — in this case (motors), if the conductor is carrying conventional current upwards, and the external magnetic field is moving away from the viewer, the physical force will work to push the conductor to the left. This is the reason for torque in an electric motor. (The electric motor is then constructed so that the expulsion of the conductor out of the magnetic field causes it be placed inside the next magnetic field, and for this switching to be continued indefinitely.) Faraday's law states that the induced electromotive force in a conductor is directly proportional to the rate of change of the magnetic flux in the conductor.
Поп-культура
В видеоигре 2013 года Metal Gear Rising: Revengeance персонаж Монсон несколько раз упоминает и использует правило левой руки Флеминга во время своего сражения.
In the 2013 video game Metal Gear Rising: Revengeance, the character Monsoon mentions and uses Fleming's Left Hand Rule multiple times during his fight.