Vật lý 11. Chương IV. Bài 20: Lực từ. Cảm ứng từ

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. Lực Từ

Để dễ dàng khảo sát và đo đạc lực từ, trước hết ta khảo sát trong một từ trường đều.

1. Từ trường đều

- Từ trường đều là từ trường mà đặc tính của nó giống nhau tại mọi điểm; các đường sức từ là những đường thẳng song song, cùng chiều và cách đều nhau.

- Từ trường đều có thể được tạo thành giữa hai cực của một nam châm hình chữ U.

2. Xác định lực từ do từ trường đều tác dụng lên một đoạn dây dẫn có dòng điện

Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều có phương vuông góc với các đường sức từ và vuông góc với đoạn dây dẫn, có độ lớn phụ thuộc vào từ trường và cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn.

B. Cảm ứng từ

1. Cảm ứng từ tại một điểm

Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường và được đo bằng thương số giữa lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt vuông góc với đường cảm ứng từ tại điểm đó và tích của cường độ dòng điện và chiều dài đoạn dây dẫn đó.

\[B = \frac{F}{{Il}}\]

2. Đơn vị cảm ứng từ

Trong hệ SI, đơn vị cảm ứng từ B là tesla (T). Trong công thức trên, F đo bằng niutơn (N), I đo bằng ampe (A) và l đo bằng mét (m).

3. Vectơ cảm ứng từ

Người ta biểu diễn cảm ứng từ bằng một vectơ gọi là vectơ cảm ứng từ, ký hiệu là \[\overrightarrow B \].

Vectơ cảm ứng từ \[\overrightarrow B \] tại một điểm:

-Có hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

-Có độ lớn bằng: \[B = \frac{F}{{Il}}\]

4. Biểu thức tổng quát của lực từ

Lực từ \[\overrightarrow F \] tác dụng lên đoạn dây dẫn l mang dòng điện I đặt trong từ trường đều, tại đó có cảm ứng từ là \[\overrightarrow B \].

+ Có điểm đặt tại trung điểm của l.

+ Có phương vuông góc với \[\overrightarrow l \] và \[\overrightarrow B \].

+ Có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái

+ Có độ lớn là \[F = BIl\sin \alpha \] với \[\alpha = \left( {\overrightarrow B ,\overrightarrow l } \right)\].

5. Chú ý

Tương tự điện trường từ trường cũng tuân theo nguyên lí chồng chất từ trường:

Giả sử hệ có n nam châm (hay dòng điện). Tại điểm M, từ trường chỉ của nam châm thứ nhất là \[\overrightarrow {{B_1}} \] , từ trường chỉ của nam châm thứ hai là \[\overrightarrow {{B_2}} \],… từ trường chỉ của nam châm thứ n là \[\overrightarrow {{B_n}} \]. Gọi \[\overrightarrow B \] là từ trường của hệ tại M thì: \[\overrightarrow B = \overrightarrow {{B_1}} + \overrightarrow {{B_2}} +... + \overrightarrow {{B_n}} \] .

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một khung dây hình chữ nhật, kích thước 30cm x 20cm, được đặt trong một từ trường đều có phương vuông góc với mặt phẳng khung dây và có cảm ứng từ là 0,1T. Cho dòng điện có cường độ 5A chạy qua khung dây dẫn này. Xác định lực từ tổng hợp tác dụng lên khung dây là bao nhiêu?

Giải

Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được hướng của lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung dây như hình vẽ.

- Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh l₁ = 30cm:

\[\overrightarrow {{F_1}} = - \overrightarrow {{F_2}} \]

- Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh l₂ = 20cm:

\[\overrightarrow {{F_3}} = - \overrightarrow {{F_4}} \]

Suy ra lực từ tổng hợp tác dụng lên khung dây:

\[\overrightarrow {{F_1}} + \overrightarrow {{F_2}} + \overrightarrow {{F_3}} + \overrightarrow {{F_4}} = 0\]

Bài 2: Đoạn dây CD dài 20cm, khối lượng 10g treo bằng 2 dây mềm cách điện sao cho đoạn dây CD nằm ngang. Dây ở trong từ trường đều có B = 0,2T và các đường sức từ là các đường thẳng đứng hướng lên. Dây treo chịu được lực kéo lớn nhất F_k = 0,06N. Hỏi có thể cho dòng điện qua dây đồng CD có cường độ lớn nhất bao nhiêu để dây treo không đứt. Coi khối lượng dây treo rất nhỏ; g = 10 m/s²

Bài 3: Thanh dây dẫn thẳng MN có chiều dài l = 20cm, khối lượng m = 10g, được treo trên hai sợi dây mảnh sao cho MN nằm ngang. Cả hệ thống được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,25T và vectơ B hướng lên trên theo phương thẳng đứng. Nếu cho dòng điện I = \[2\sqrt 3 \]A chạy qua, người ta thấy thanh MN được nâng lên vị trí cân bằng mới và hai sợi dây treo bây giờ lệch một góc α so với phương thẳng đứng. Cho g = 10 m/s², góc lệch α là bao nhiêu?

Bài 4: Một dây dẫn thẳng dài mang dòng điện 20A, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 5.10^-3T. Dây dẫn đặt vuông góc với véctơ cảm ứng từ và chịu lực từ bằng 10^-3N. Chiều dài của đoạn dây dẫn là bao nhiêu?

Bài 5: Một dây dẫn thẳng MN có chiều dài l = 25cm, khối lượng của một đơn vị chiều dài của dây là D = 0,04 kg/m. Dây được treo bằng hai dây nhẹ theo phương thẳng đứng và đặt trong từ trường đều có véctơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng chứa MN và dây treo với B = 0,04T. Cho dòng điện I = 16A có chiều từ M tới N chạy qua dây và g = 10 m/s². Lực căng của mỗi dây là bao nhiêu?

Bài 6: Một dây dẫn thẳng MN có chiều dài l, khối lượng của một đơn vị chiều dài của dây là D = 0,04 kg/m. Dây được treo bằng hai dây nhẹ theo phương thẳng đứng và đặt trong từ trường đều có véctơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng chứa MN và dây treo với B = 0,04T. Cho dòng điện I chạy qua dây. Để lực căng của dây treo bằng 0 thì chiều và độ lớn của I là bao nhiêu?