BÀI 15. LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÂY DẪN MANG DÒNG ĐIỆN. CẢM ỨNG TỪ

KHỞI ĐỘNG

Tính chất cơ bản của từ trường là gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong từ trường đó. Vậy lực từ có đặc điểm như thế nào?

Giải nhanh:

Đặc điểm của lực từ:

- Lực từ là một lực tương tác: lực từ chỉ xuất hiện khi có hai vật liệu từ (nam châm, sắt, thép) hoặc giữa nam châm và dòng điện tương tác với nhau.

- Lực từ có thể là lực đẩy hoặc lực hút: hai cực cùng tên của nam châm sẽ đẩy nhau và khác tên sẽ hút nhau. Dòng điện và nam châm cũng có thể hút hoặc đẩy nhau tuỳ thuộc vào chiều của dòng điện và chiều của từ trường.

I. THÍ NGHIỆM VỀ LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN ĐOẠN DÂY DẪN MANG DÒNG ĐIỆN

Hoạt động 1:Thí nghiệm

Chuẩn bị: Thiết bị thí nghiệm gồm:

- Hộp gõ có gắn các thiết bị dưới đây:

+ Nam cham điện có gắn hai tâm thép (1).

+ Đòn cân (2) có gắn gia trọng (3) và khớp nối với khung dây dẫn (4).

+ Hai ampe kế có giới hạn đo 2A (5),(6).

+ Hai biến trở oay 100W - 2A (7).

+ Hai công tắc dùng để đảo chiều dòng điện qua nam châm điện và khung dây (8), (9).

- Khung dây n=200 vòng có chiều dài một cạnh l=10cm (10).

- Lực kế có giới hạn đo 0,5 N (11).

- Đèn chỉ hướng từ trường trong lòng nam châm điện (12).

- Nguồn điện một chiều, điện áp 12V (13) và các dây nối.

Tiến hành:

- Nối hai cực của nguồn điện DC với hai chốt cắm trên hộp gỗ. Cắm khung dây vào khớp nối trên đòn cân, sao cho cạnh dưới của khung dây nằm trong từ trường của nam châm.

- Đóng công tắc điện.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Quan sát và giải thích hiện tượng xảy ra với khung dây.

2. Quan sát đèn chỉ hướng từ trường trong lòng nam châm điện, các cực của nguồn điện nối với khung dây, chiều chuyển động của khung dây, từ đó xác định chiều của cảm ứng từ bên trong lòng nam châm điện, chiều dòng điện và chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện I trong từ trường.

3. Dự đoán hiện tượng xảy ra nếu đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện hoặc khung dây.

4. Đề xuất cách xác định chiều của lực từ.

Giải nhanh:

1. Quan sát ta thấy:

- Khi đóng công tắc, khung dây sẽ bị quay

- Khi mở công tắc, khung dây sẽ quay về vị trí ban đầu

Giải thích: Khi dòng điện chạy qua khung dây nó sẽ tạo ra một từ trường. Từ trường này tương tác với từ trường của nam châm điện, tạo ra lực từ tác dụng lên khung dây. Lực từ này làm cho khung dây quay.

2. Xác định chiều bằng cách:

- Cảm ứng từ: Chiều của cảm ứng từ bên trong lòng nam châm điện được xác định bằng quy tắc nắm bàn tay phải.

- Dòng điện: Chiều của dòng điện được xác định bằng quy tắc nắm bàn tay phải

- Lực từ: Chiều của lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

3. Dự đoán hiện tượng:

- Đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện: chiều của cảm ứng từ bên trong lòng nam châm và chiều của lực từ đều sẽ bị đổi, từ đó thì chiều khung dây sẽ quay theo chiều ngược lại.

- Đồi chiều dòng điện chạy qua khung dây: chiều của từ trường do khung dây tạo và chiều của lực từ sẽ bị đổi thì từ đó chiều khung dây sẽ quay theo chiều ngược lại.

4. Cách xác định chiều của lực từ: Quy tắc bàn tay trái:Dùng bàn tay trái đặt sao cho, ngón cái choãi ra vuông góc với lòng bàn tay biểu diễn chiều của lực từ.Các đường sức từ đi vào lòng bàn tay.Chiều của dòng điện song song với ngón trỏ.

Hoạt động 2: Sử dụng quy tắc bàn tay trái để kiểm chứng chiều của lực từ tác dụng lên thanh kim loại M₁M₂ trong Hình 15.2.

Giải nhanh:

Quy tắc bàn tay trái:Dùng bàn tay trái đặt sao cho, ngón cái choãi ra vuông góc với lòng bàn tay biểu diễn chiều của lực từ.Các đường sức từ đi vào lòng bàn tay.Chiều của dòng điện song song với ngón trỏ.

Câu hỏi: Ba dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường như Hình 15.4

1. Hãy xác định phương và chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn ở Hình 15.4a, 15.4b.

2. Trong trường hợp Hình 15.4c, có lực từ tác dụng lên dây dẫn không? Dự đoán lực từ còn phụ thuộc vào yếu tố nào khác?

Giải nhanh:

1. Ta sử dụng quy tắc nắm bàn tay trái để xác định lực từ.

Hình 15.4a, lực từ hướng vào trong

Hình 15.4b, lực từ hướng từ trên xuống dưới

2. Trong trường hợp Hình 15.4c, có lực từ không tác dụng lên dây dẫn.

Lực từ phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn.

II. ĐỘ LỚN CẢM ỨNG TỪ

Câu hỏi 1: Xét một đoạn dây dẫn thằng có chiều dài L=1m, có dòng điện I = 3A chạy qua được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 5.10^-2 T. Hãy xác định độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện nếu phương của dây dẫn hợp với vecto cảm ứng từ một góc 60^o.

Giải nhanh:

Độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện là: 

Câu hỏi 2: Một dây dẫn dài 50 cm có dòng điện chạy qua được đặt vuông góc với từ trường có độ lớn cảm ứng từ là 5 m T.

a) Nếu có 10¹⁸ electron chạy qua dây dẫn trong mỗi giây thì cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn bằng bao nhiêu? (Cho biết độ lớn diện tích electron là C).

b) Tính độ lớn của lực từ tác dụng lên dây dẫn.

Giải nhanh:

a) Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn là :

b) Độ lớn của lực từ tác dụng lên dây dẫn là: 

III. THỰC HÀNH ĐO ĐỘ LỚN CẢM ỨNG TỪ.

Hoạt động 1: a) Từ công thức (15.1), hãy cho biết để xác định cảm ứng từ thì cần đo các đại lượng nào?

b) Nên đặt góc a bằng bao nhiêu? Tại sao.

c) Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm để đo được cảm ứng từ của nam châm điện.

Giải nhanh:

a) Từ công thức (15.1), để xác định cảm ứng từ thì cần đo các đại lượng: cường độ dòng điện (I), lực từ (F), chiều dài dây dẫn đặt trong từ trường (L), góc hợp giữa vecto cảm ứng từ và vecto cường độ dòng điện I.

b) Nên đặt góc . Vì sin 90=1, giúp tính toán dễ dàng hơn.

c) 

- Bật khoá K và điều chỉnh biến trở để thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện

- Ghi lại kết quả giá trị cường độ dòng điện I (A) bằng ampe kế.

- Đo cảm ứng từ: đặt tự kế tại điểm cần đo cảm ứng từ, xoay kim tự kế đến vị trí cân bằng, ghi lại giá trị góc  của kim tự kế so với phương nằm ngang.

- Tính toán cảm ứng từ

Hoạt động 2: 

- Tính và điền vào bảng như ví dụ minh hoạt ở Bảng 15.1

- Tính giá trị trung bình, sai số phép đo độ lớn cảm ứng từ B của từ trường nam câm. 

Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm:

Nhận xét về nguyên nhân gây sai số của phép đo và đề ra giải pháp để giảm sai số đó.

Giải nhanh:

- Bảng giá trị

- Giá trị trung bình là: 

Sai số của phép đo là: 

Nhận xét: sai số của phép đo trên là rất nhỏ

Nguyên nhân: do sai số dụng cụ, sai số do thao tác chưa chuẩn, sai số do môi trường xung quanh tác động.

Giải pháp:

- Sai số do dụng cụ thì nên sử dụng những dụng cụ có độ chính xác cao hơn để khi đo có thể hạn chế sai số nhất có thể.

- Sai số do thao tác chưa chuẩn: cần làm cẩn thận, nhìn kĩ, đọc giá trị đúng.

- Sai số do môi trường xung quanh tác động: cần làm thí nghiệm trong môi trường đảm bảo hơn, hạn chế tác động bên ngoài đến thí nghiệm.

Em có thể: Giải thích được nguyên tắc hoạt động của tàu đệm từ.

Giải nhanh:

Tàu đệm từ hoạt động dựa trên hai nguyên tắc cơ bản: lực nâng từ và lực đẩy từ. - Lực nâng từLực nâng từ được tạo ra bởi sự tương tác giữa các nam châm trên tàu và các cuộn dây dẫn điện dọc theo đường ray. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường. Các nam châm trên tàu tương tác với từ trường này, tạo ra lực đẩy giúp nâng tàu khỏi đường ray. Lực nâng từ có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi cường độ dòng điện qua cuộn dây.

- Lực đẩy từ: Lực đẩy từ được tạo ra bởi sự tương tác giữa các cuộn dây dẫn điện dọc theo đường ray. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường di chuyển dọc theo đường ray. Từ trường này tương tác với các nam châm trên tàu, tạo ra lực đẩy giúp tàu di chuyển về phía trước. Lực đẩy từ có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi cường độ dòng điện qua cuộn dây.