BÀI 20. LỰC TỪ - CẢM ỨNG TỪ
I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Từ trường đều
+ Từ trường đều là từ trường mà đặc tính của nó giống nhau tại mọi điểm, các đường sức là những đường thẳng song song, cùng chiều và cách đều nhau.
+ Từ trường đều có thể được tạo thành giữa 2 cực của một nam châm hình chữ U.
2. Vectơ cảm ứng từ
+ Vectơ cảm ứng từ \(\vec B\) là đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực từ.
+ Đặc điểm của vectơ cảm ứng từ \(\vec B\) tại một điểm
- Điểm đặt: tại điểm xét.
- Hướng: trùng với hướng từ trường tại điểm xét.
- Độ lớn: \(B=\frac{F}{I\ell }\)
Với F (N) là độ lớn lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện có độ dài ℓ (m), cường độ I (A), đặt vuông góc với hường của từ trường tại điểm đó.
- Đơn vị cảm ứng từ là Tesla (T).
3. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện
Trong một từ trường đều có cảm ứng từ \(\vec B\), đặt một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài \ell mang dòng điện I cắt các đường cảm ứng từ, dây dẫn sẽ bị từ trường tác dụng một lực \(\vec{F}\) có các đặc điểm sau:
+ Điểm đặt: trung điểm của đoạn dây.
+ Phương: vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các đường cảm ứng từ và dây dẫn \(\vec F \bot \left( {\vec B,I\vec \ell } \right)\);
+ Chiều: Xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa là chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, ngón tay cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây đó”.
+ Độ lớn: \(F=B.I.\ell .\sin \alpha \)
Trong đó \(\alpha =\left( \overrightarrow{B},I\overrightarrow{\ell } \right)\) là góc hợp bởi hướng của cảm ứng từ và hướng (chiều) dòng điện.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Xác định chiều cảm ứng từ của dòng điện.
+ Để giải quyết tốt dạng bài này, chúng ta cần nắm vững phần lí thuyết về cảm ứng từ, tính chất các đường cảm ứng từ, quy tắc nắm tay phải, vận dụng để tìm vectơ cảm ứng từ \(\vec B\) về phương, chiều, độ lớn.
+ Các em cần lưu ý các quy ước khi vẽ hình, hoặc các kí hiệu trên hình vẽ như sau:
Đối với dây dẫn mang dòng điện.
+ Nếu dây dẫn nằm trong mặt phẳng giấy, thì ta biểu diễn dây dẫn bằng một đoạn thẳng, ở giữa có mũi tên mô tả chiều dòng điện, chẳng hạn ở hình bên, dây dẫn AB thẳng dài vô hạn mang dòng điện I1 có chiều từ A đến B, dây dẫn MN mang dòng điện I2 có chiều từ N đến M.
+ Nếu dây dẫn vuông góc mặt phẳng giấy, người ta vẽ vòng tròn nhỏ thể hiện tiết diện của dây, bên cạnh ghi chữ I để hiểu mang dòng điện, để thể hiện chiều dòng điện người ta thêm kí hiệu vào giữa vòng tròn.
⇒ Dòng điện đi từ phía ngoài mặt giấy, xuyên qua giấy, tiến vào bên trong: \(\oplus \,I\)
⇒ Dòng điện đi từ phía trong mặt giấy, xuyên qua giấy, tiến ra bên ngoài: \(\odot \,I\)
Đối với vectơ cảm ứng từ \(\vec{B}\) cũng hoàn toàn tương tự.
Dạng 2. Lực từ do đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện gây ra.
Để giải quyết tốt dạng bài này, chúng ta cần nắm vững phần lí thuyết về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang điện.
Đặc điểm của lực từ \(\vec{F}\) tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang điện
+ Điểm đặt: trung điểm của đoạn dây.
+ Phương: vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các đường cảm ứng từ và dây dẫn \(\vec{F}\bot \left( \overrightarrow{B},I\overrightarrow{\ell } \right);\)
+ Chiều: Xác định theo quy tắc bàn tay trái.
+ Độ lớn: \(F=B.I.\ell .\sin \alpha \) trong đó \(\alpha =\left( \overrightarrow{B},I\overrightarrow{\ell } \right)\)
Trước khi thay số, cần đổi các ước hay bội về đơn vị chuẩn: \(\ell \left[ m \right];I\left[ A \right];B\left[ T \right];F\left[ N \right].\) Nếu bài toán xét thêm lực hút của Trái Đất \(\vec{P}\) thì ta vẽ lực này có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống, dùng phép tổng hợp lực theo quy tắc hình bình hành để suy ra ẩn cần tìm.
III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 126 SGK Vật Lí 11):
Hãy thiết lập hệ thức F = mgtanα.
Trả lời:
Khi cân bằng, ta có: \(\overrightarrow{P}+m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{T}=\overrightarrow{0}\Rightarrow \overrightarrow{P}+m\overrightarrow{g}=-\overrightarrow{T}\) với \(\overrightarrow{T}\) là lực căng tổng cộng của hai dây. \(\Rightarrow \overrightarrow{P}+m\overrightarrow{g}\) có phương trùng với phương của dây treo. Gọi q là góc lệch giữa dây treo và phương thẳng đứng, ta có: \(\frac{F}{mg}=\tan \theta \Rightarrow F=mg\tan \theta .\) |  |
Câu C2 (trang 126 SGK Vật Lí 11):
Nghiệm lại nhận xét: Hướng của dòng điện, từ trường và lực từ của dòng điện, từ trường và lực từ tạo thành một tam diện thuận.
Trả lời:
Ba vectơ \({{\overrightarrow{{{M}_{1}}M}}_{2}};\,\overrightarrow{B}\) và \(\vec{F}\) không đồng phẳng tạo nên một tam diện thuận khi chúng thỏa mãn quy tắc bàn tay trái. Để bàn tay trái sao cho \(\vec B\) hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa là chiều \({{\overrightarrow{{{M}_{1}}M}}_{2}}\), khi đó chiều ngón cái choãi ra chỉ chiều của \(\vec{F}.\) | |
Bài 1 (trang 128 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu các định nghĩa:
a) Từ trường đều;
b) Lực từ;
c) Cảm ứng từ.
Lời giải:
a) Từ trường đều là từ trường có các đường sức từ là những đường thẳng song song, cùng chiều và cách đều nhau..
b) Lực từ
Trong một từ trường đều có cảm ứng từ \(\vec B\), đặt một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài ℓ mang dòng điện I cắt các đường cảm ứng từ, dây dẫn sẽ bị từ trường tác dụng một lực \(\vec{F}\) có các đặc điểm sau:
+ Điểm đặt: trung điểm của đoạn dây.
+ Phương: vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các đường cảm ứng từ và dây dẫn \(\vec{F}\bot \left( \overrightarrow{B},I\overrightarrow{\ell } \right);\)
+ Chiều: Xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa là chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, ngón tay cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây đó”.
+ Độ lớn: \(F=B.I.\ell .\sin \alpha \)
Trong đó \(\alpha =\left( \overrightarrow{B},I\overrightarrow{\ell } \right)\) là góc hợp bởi hướng của cảm ứng từ và hướng (chiều) dòng điện.
c) Cảm ứng từ.
+ Vectơ cảm ứng từ \(\vec B\) là đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực từ.
+ Đặc điểm của vectơ cảm ứng từ \(\vec B\) tại một điểm
- Điểm đặt: tại điểm xét.
- Hướng: trùng với hướng từ trường tại điểm xét.
- Độ lớn: \(B=\frac{F}{I\ell }\)
Với F (N) là độ lớn lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện có độ dài ℓ (m), cường độ I (A), đặt vuông góc với hường của từ trường tại điểm đó.
- Đơn vị cảm ứng từ là Tesla (T).
Bài 2 (trang 128 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu định nghĩa đơn vị tesla.
Lời giải:
Tesla là lực từ có độ lớn 1 Niutơn tác dụng lên một mét dây dẫn mang dòng điện có cường độ 1 ampe đặt vuông góc với đường sức từ trong từ trường đều.
Bài 3 (trang 128 SGK Vật Lí 11):
So sánh lực điện và lực từ.
Lời giải:
So sánh | Lực từ | Lực điện |
| Điều kiện xuất hiện | Lực từ \(\vec{F}\) tác dụng lên phần tử dòng điện \(I\vec{\ell },\), đặt trong từ trường đều \(\vec{B}\) | Lực điện \(\vec{F}\) tác dụng lên điện tích q đặt trong điện trường đều \(\vec{E}\) |
| Điểm đặt | Trung điểm của đoạn dây | Tâm điện tích q |
| Hướng | + Phương: vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các đường cảm ứng từ và dây dẫn \(\vec{F}\bot \left( \vec{B},I\vec{\ell } \right);\) + Chiều: Xác định theo quy tắc bàn tay trái. | Cùng phương với \(\vec{E}\) + cùng chiều với \(\vec{E}\) nếu q > 0. + ngược chiều với \(\vec{E}\) nếu q < 0. |
| Độ lớn | \(F=B.I.\ell .\sin \alpha \) | F = |qE| |
Bài 4 (trang 128 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu nào dưới đây sai?
Lực từ tác dụng nên phần tử dòng điện
A. vuông góc với phần tử dòng điện. B. cùng hướng với từ trương.
C. tỉ lệ với cường độ dòng điện. D. tỉ lệ với cảm ứng từ.
Lời giải: Chọn B.
Lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện luôn vuông góc với \(\vec{B}\) và \(I\vec{\ell }\)
Bài 5 (trang 128 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu nào dưới đây là đúng?
Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường
A. vuông góc với đường sức từ. B. nằm theo hướng của đường sức từ.
C. nằm theo hướng của lực từ. D. không có hướng xác định.
Lời giải: Chọn B.
Cảm ứng từ \(\vec{B}\) tại một điểm trong từ trường cùng hướng với đường sức từ tại điểm đó.
Bài 6 (trang 128 sgk Vật Lí 11):
Phần tử dòng điện \(I\vec{\ell }\) nằm trong từ trường đều có các đường sức từ thẳng đứng. Phải đặt \(I\vec{\ell }\) như nào để cho lực từ:
a) nằm ngang.
b) bằng không.
Lời giải:
a) \(\vec{F}\bot \left( \vec{B},I\vec{\ell } \right),\) nên để cho lực từ nằm ngang thì phải đặt \(I\vec{\ell }\) vuông góc với mặt phẳng hình vẽ như hình bên |
|
b) \(F=B.I.\ell .\sin \alpha\) nên để cho lực từ bằng 0 thì phải đặt \(I\vec{\ell }\) song song với \(\vec{B}\) (khi đó a = 0°).
|
|
Bài 7 (trang 128 SGK Vật Lí 11):
Phần tử dòng điện \(I\vec{\ell }\) được treo nằm ngang trong một từ trường đều. Hướng và độ lớn của cảm ứng từ \(\vec{B}\) phải như thế nào để lực từ cân bằng với trọng lực \(m\vec{g}\) của phần tử dòng điện?
Lời giải:
Lực từ cân bằng với trọng lực của phần tử dòng điện có nghĩa là lực từ có phương thẳng đứng và hướng lên như hình vẽ. Cảm ứng từ \(\vec{B}\) phải có: + Phương: nằm ngang \(\left( \vec{B},I\vec{\ell } \right)=\alpha \ne 0{}^\circ \) hoặc 180°. + Chiều: sao cho chiều quay từ \(I\vec{\ell }\) sang \(\vec{B}\) thuận đối với chiều thẳng đứng đi lên. + Độ lớn: \(B.I.\ell .\sin \alpha =mg\Rightarrow B=\frac{mg}{I.\ell .\sin \alpha }\) |
|
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài lực từ, cảm ứng từ do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ.