Lực Từ - Cảm ứng Từ - Giải Bài Tập Vật Lý 11 - Để Học Tốt

§20. LỰC TỪ. CẢM ỨNG TỪ

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

• Tại mỗi điểm trong không gian có từ trường xác định được một vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$.

$\vec{B}$:

- Điểm đặt : điểm đang xét

- Chiều : cùng với chiều của từ trường

- Độ lớn: B = $\large \frac{F}{I.l}$ (với F là độ lớn của lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện có độ dài là l, cường độ I, đặt vuông góc với hướng của từ trường tại điểm đó)

• Một đoạn dây dẫn có chiều dài l, có dòng điện cường độ I chạy qua và được đặt trong vùng có từ trường đều $\vec{B}$. Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn nói trên được xác định:

$\vec{F}$:

- Điểm đặt: trung điểm của đoạn dây

- Phương : vuông góc với mặt phẳng (I; $\vec{B}$)

- Chiều : được xác định theo quy tắc bàn tay trái

- Độ lớn : F = IBlsin$\alpha$ với $\alpha$ = (I, $\vec{B}$); I; $\vec{B}$; $\vec{F}$ hợp thành một tam diện

Quy tắc bàn tay trái : Đặt bàn tay trái sao cho chiều dòng điện đi từ cổ tay đến đầu ngón tay, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ xuyên vào lòng bàn tay, ngón tay cái choãi ra 90° là chiều của lực từ $\vec{F}$ tác dụng lên dây dẫn.

B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1. Phát biểu các định nghĩa:

a) Từ trường đều;

b) Lực từ;

c) Cảm ứng từ.

Giải

a) Từ trường đều là từ trường mà đặc tính của nó giống nhau tại mọi điểm. Trong vùng có từ trường đều, các đường sức từ là những đường thẳng song song, cùng chiều và cách đều nhau.

b) Đặt một đoạn dây dẫn có chiều dài l trong vùng có từ trường đều, dây dẫn sẽ chịu tác dụng bởi một lực. Lực này được gọi là lực từ. Lực từ trong trường hợp này được xác định bởi công thức : F = IBlsin$\alpha$

Với B : độ lớn của cảm ứng từ (Tesla)

I: cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn

l: chiều dài đoạn dây

$\alpha$: góc hợp giữa dây dẫn và cảm ứng từ $\vec{B}$

c) - Cảm ứng từ B là một đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực.

- Tại mỗi điểm trong không gian có từ trường xác định một vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$.

$\vec{B}$:

- Điểm đặt : điểm đang xét

- Phương, chiều: cùng với phương chiều của từ trường (từ cực nam sang bắc của nam châm thử)

- Độ lớn: B = $\large \frac{F}{I.l}$

Với F: độ lớn của lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện có chiều dài l, cường độ I, và đặt vuông góc chiều từ trường tại điểm đó.

2. Phát biểu định nghĩa đơn vị tesla.

Giải

Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ B là Tesla – Ký hiệu T

Dựa vào công thức B = $\large \frac{F}{I.l}$

Nếu đơn vị của lực từ được tính bằng Newton (N); cường độ dòng điện được tính bằng ampe (A), và chiều dài đoạn dây dẫn được tính bằng mét (m), thì đơn vị của cảm ứng từ sẽ được tính bằng Tesla (T).

3. So sánh lực điện và lực từ.

Giải

Lực điện:

• Lực tác dụng lên một điện tích đặt trong vùng có điện trường.

• Biểu diễn vectơ lực:

$\vec{F}$:

- Điểm đặt: điện tích đang xét

- Phương: Đường thẳng nối hai điện tích

- Chiều: cùng chiều với $\vec{E}$ nếu q > 0

ngược chiều với $\vec{E}$ nếu q < 0.

- Độ lớn: F = $\mid q\mid$E

Lực từ

• Lực tác dụng lên nam châm hay lên một dây dẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong vùng có từ trường.

• Biểu diễn vectơ lực

$\vec{F}$:

- Điểm đặt: trung điểm của đoạn dây

- Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa dây và cảm ứng từ $\vec{B}$

- Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái

- Độ lớn: F= IBlsin$\alpha$ với $\alpha$ = ($\vec{B}$, $\vec{l}$)

4. Phát biểu nào dưới đây là sai?

Lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện

A. vuông góc với phần tử dòng điện.

B. cùng hướng với từ trường.

C. tỉ lệ với cường độ dòng điện.

D. tỉ lệ với cảm ứng từ.

Giải

Theo quy tắc bàn tay trái, $\vec{F}$ luôn vuông góc với cảm ứng từ $\vec{B}$

⇒ Chọn câu B

5. 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.

Giải

Chọn câu B

6. Phần tử dòng điện I$\vec{l}$ nằm trong từ trường đều có các đường sức từ thẳng đứng. Phải đặt I$\vec{l}$ như thế nào để cho lực từ

a) Nằm ngang?

b) Bằng không?

Giải

Ta có công thức tính lực từ F = BIlsin$\alpha$

a) Với $\vec{B}$ có phương thẳng đứng, muốn $\vec{F}$ nằm ngang thì sin$\alpha$ phải khác không ⇒ $\alpha$ phải khác không hoặc khác $\pi$ ⇒ phải đặt phần tử I$\vec{l}$ (hay đoạn dây dẫn điện) không được song song với cảm ứng từ $\vec{B}$ (không song song với đường sức từ)

b) Tương tự, muốn $\vec{F}$ = 0 thì sin$\alpha$ = 0 ⇔ $\alpha$ = 0 hay $\alpha$ = $\pi$ ⇒ phải đặt phần tử I$\vec{l}$ (hay đoạn dây dẫn) song song với cảm ứng từ $\vec{B}$ (song song với đường sức từ)

7. Phần tử dòng điện I$\vec{l}$ 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?

Giải

Giả sử dây treo được đặt vuông góc với mặt phẳng tờ giấy, và chiều dòng điện được hướng vào trong. Trọng lực $\vec{P}$ có chiều như hình vẽ

$\vec{F}$ cân bằng với $\vec{P}$ ⇒ $\vec{F}$ phải có chiều hướng lên (như hình vẽ)

Áp dụng quy tắc bàn tay trái và độ lớn F = BIlsin$\alpha$. Vectơ lực từ $\vec{F}$ luôn luôn vuông góc với mặt phẳng chứa dây treo và cảm ứng từ $\vec{B}$. Vậy cảm ứng từ $\vec{B}$ nằm trong mặt phẳng chứa phần tử $I\vec{l}$ (dây treo) vuông góc với lực từ $\vec{F}$ (trọng lực $\vec{P}$) và hợp với phần tử $I\vec{l}$ (dây treo) một góc $\alpha$ với 0 < $\alpha$ < 180°, $\vec{B}$ quay trên nửa đường tròn bên phải vuông góc với trục của $\vec{P}$ và $\vec{F}$ (hình vẽ)

Độ lớn của B: