Lý thuyết Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ - Vật lí 12 Cánh diều

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 2: Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ

I. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện

1. Thí nghiệm

- Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.1.

- Treo khung dây để mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ của nam châm; cạnh AB của khung nằm ngang trong vùng từ trường đều ở khoảng không gian giữa hai cực của nam châm.

- Cho dòng điện có cường độ I chạy qua khung dây theo chiều từ A đến B và quan sát hiện tượng xảy ra với khung dây.

- Đổi chiều cường độ dòng điện I chạy qua khung dây và quan sát hiện tượng xảy ra với khung dây.

Kết quả

Khi có dòng điện chạy qua khung dây theo chiều từ A đến B, khung dây bị kéo thẳng đứng xuống dưới. Điều này cho thấy, lực từ tác dụng lên AB có phương thẳng đứng, vuông góc với cả đoạn dòng điện AB và đường sức từ.

2. Phương của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện

Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện đặt trong từ trường có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dòng điện và đường sức từ tại điểm khảo sát.

3. Chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện

Xác định chiều của lực từ theo quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trải sao cho các đường sức từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện, ngón cái choãi ra 90° chi chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện.

4. Ví dụ

Lực từ tương tác giữa hai dòng điện thẳng

II. Cảm ứng từ

1. Khái niệm

Để đặc trưng cho từ trường tại một điểm trong từ trường về mặt tác dụng lực, người ta đưa ra một đại lượng gọi là cảm ứng từ, kí hiệu $\overrightarrow{B}$. Đó là một đại lượng vectơ:

- Có phương trùng với phương của kim nam châm nằm cân bằng tại điểm đang xét, có chiều từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm;

- Có độ lớn là: $B=\frac{F}{Il\sin \theta }$

Trong đó:

F là độ lớn của lực do từ trường tác dụng lên đoạn dây dẫn có chiều dài $l$ mang dòng điện có cường độ I, B là độ lớn cảm ứng từ, $\theta$ là góc hợp bởi chiều dòng điện và chiều của cảm ứng từ.

2. Đơn vị của cảm ứng từ

Đơn vị SI của cảm ứng từ là tesla, kí hiệu T.

Cảm ứng từ có độ lớn bằng 1 T khi một dây dẫn mang dòng điện 1 A đặt vuông góc với từ trường đều chịu tác dụng bởi lực 1N trên 1 m chiều dài của nó.

Trong công thức (2.1), lực được đo bằng niutơn (N), cường độ dòng điện được đo bằng ampe (A) và chiều dài được đo bằng mét (m).

1T = 1N.A^-1.m^-1

3. Đo độ lớn của cảm ứng từ

1) Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.6.

Đoạn dây dẫn được cố định theo phương ngang giữa hai cực của nam châm. Dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn được lấy từ biến áp nguồn (không thể hiện trong Hình 2.6).

2) Đo và ghi chiều dài của đoạn dây dẫn nằm ngang trong từ trường theo mẫu Bảng 2. 2.

3) Ấn nút hiệu chỉnh để cân chỉ số "0".

4) Bật nguồn điện. Đo và ghi cường độ dòng điện I và số chỉ m của cân theo Bảng 2.2.

5) Điều chỉnh biến áp nguồn để có các giá trị khác nhau của cường độ dòng điện I. Lặp lại bước 4 cho đến khi có ít nhất ba giá trị khác nhau của I và m. Tắt nguồn điện.

III. Công thức của lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện

1. Công thức

Lực từ do từ trường đều có cảm ứng từ với độ lớn B tác dụng lên dây dẫn có chiều dài $l$ và mang dòng điện có cường độ I được xác định bằng công thức: $F=BIl\sin \theta$

Trong đó, $\theta$ là góc hợp bởi chiều dòng điện và cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$

Điểm đặt của lực từ là trung điểm của đoạn dây dẫn có chiều dài $l$.

Trong công thức, B tính bằng tesla (T), I tính bằng ampe (A), $l$ tính bằng mét (m) thì F được tính bằng niutơn (N).

Trắc nghiệm: Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Hình nào biểu diễn đúng hướng lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện I đặt trong từ trường đều $\overrightarrow{\text{B}}$?

A. Hình 1.

B. Hình 2.

C. Hình 3.

D. Hình 4.

Câu 2: Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường

A. cùng hướng với hướng của từ trường tại điểm đó.

B. cùng hướng với lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện đặt tại điểm đó.

C. có độ lớn tỉ lệ nghịch với độ lớn của lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện đặt tại điểm đó.

D. có độ lớn tỉ lệ với cường độ của phần tử dòng điện đặt tại điểm đó.

Câu 3: Lực từ tác dụng lên một dây dẫn có dòng điện đi qua đặt vuông góc với đường sức từ sẽ không thay đổi khi

A. dòng điện đổi chiều và giữ nguyên cường độ.

B. từ trường đổi chiều và giữ nguyên cường độ.

C. dòng điện và từ trường đồng thời đổi chiều và giữ nguyên cường độ.

D. dòng điện giữ nguyên chiều nhưng thay đổi cường độ.

Câu 4: Để có thể xác định chiều của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện, người ta có thể dùng

A. quy tắc bàn tay trái.

B. quy tắc cái đinh ốc.

C. quy tắc nắm tay phải.

D. quy tắc mặt Nam, mặt Bắc.

Câu 5: Phát biểu nào dưới đây là sai? Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện có phương

A. vuông góc với đoạn dây dẫn.

B. cùng hướng với vectơ cảm ứng từ.

C. vuông góc với vectơ cảm ứng từ.

D. vuông góc cả đoạn dây dẫn và vectơ cảm ứng từ.

Câu 6: Đoạn dây dẫn dài 20 cm mang dòng điện 2 A đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ 0,05 T. Đoạn dây đặt hợp với các đường sức từ góc 30°. Lực từ tác dụng lên đoạn dây là

A. 0,01 N.

B. 0,02 N.

C. 0,04 N.

D. 0,05 N.

Câu 7: Một dây dẫn mang dòng điện có cường độ 8 A đặt trong một từ trường đều, cảm ứng từ có độ lớn bằng 0,5 T. Biết dòng điện hợp với các đường sức của từ trường góc 60°. Độ lớn của lực từ tác dụng lên 20 cm chiều dài của dây dẫn là

A. $\mathrm{0,4}\sqrt{3} \text{N}$.

B. 0,4N.

C. 0,8N.

D. $\frac{\mathrm{0,8}}{\sqrt{3}} \text{N}$.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Khi nói về lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng đặt trong từ trường đều, trong các nhận định dưới đây, nhận định nào là đúng nhận định nào là sai?

a) Lực từ có độ lớn tỉ lệ với điện trở đoạn dây.

b) Lực từ có độ lớn tỉ lệ nghịch với cảm ứng từ tại nơi đặt dây dẫn.

c) Khi đoạn dây đặt song song với các đường sức từ thì lực từ tác dụng lên đoạn dây là lớn nhất.

d) Lực từ có độ lớn tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy qua đoạn dây.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Một đoạn dây dẫn bằng đồng dài 20,0 m có diện tích mặt cắt ngang là $\mathrm{2,50}\cdot {10}^{-6} {\text{m}}^2$. Đoạn dây dẫn được đặt nằm ngang sao cho dòng điện trong đoạn dây dẫn chạy từ đông sang tây với cường độ 20,0A. Ở vị trí đang xét, từ trường Trái Đất có cảm ứng từ nằm ngang, hướng từ nam lên bắc và có độ lớn $\mathrm{0,500}\cdot {10}^{-4} \text{T}$. Biết khối lượng riêng của đồng là ${\mathrm{8,90.10}}^3 \text{kg}/{\text{m}}^3$; $g=\mathrm{9,8} \text{m}/{\text{s}}^2$.

a) Tìm độ lớn và hướng của lực từ tác dụng lên đoạn dây.

b) Tính lực hấp dẫn tác dụng lên đoạn dây.