SGK Vật Lí 11 - Bài 20. Lực từ. Cảm ứng từ

Lực Từ CẰM ỨNG Từ
Như đã biết trong chưong I, đại lượng đặc trưng cho tác dụng cúa điện trường ỉà cường độ điện trường. Vậy đại lượng đặc trưng cho tác dụng của từ trường là gì ?
I - Lực Từ
Để dễ dàng khảo sát và đo đạc lực từ, trước hết ta hãy tạo ra một từ trường đều.
Từ trường đểu
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 (Hình 20.1).
Xác định lực từ do từ trường đều tác dụng lên một đoạn dây dẫn có dòng điện
Trong một từ trường đều có các đường sức từ thẳng đứng (tạo bởi một nam châm hình chữ u, Hình 20.2a), ta đặt một đoạn dây dẫn MịM2 = l vuông góc với các đường sức từ. Giả sử MịM-, được treo nằm ngang nhờ hai dây dẫn mảnh cùng độ dài GjAfj = O~,M2, có hai đầu ƠJ và ơọ được giữ cố định. Dòng điẹn đi vào ƠJ và đi ra ơ2 qua dây dẫn M\M2 theo chiều từ Mị đến M-,.
Từ trường đều
o2
vói các đuờng- sửc tứ tháng đúng cùa nam châm hình chặ u.
Khi chưa có dòng điện qua MịM2 thì ơjMị và O2M2 có phương thẳng đứng, do tác dụng của trọng lực mg của MịM7 cân bằng với tác dụng của các lực căng.
Ơ1,Í
Hình 20.2b
Xác định lục til F tác dụng lẽn dòng điện / (huóng vào phía trong).
Hãy thiết lập hệ thức (20.1).
Nghiệm lại nhận xét: Hướng của dòng điện, từ trường và lực từ tạo thành một tam diện thuận.
Tam diện thuận : Ba vectơ MỴM2, B và F không đồng phẳng tạo nên một tam diện thuận khi chúng thoả mãn quy tắc bàn tay trái (Hình 20.3): Để bàn tay trái sao cho B hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều MịM2, khi đố.chiều ngón cái choãi ra chỉ chiều của F.
M2
Hình 20.3
Quy tắc bàn tay trái
Khi cho dòng điện có cường độ I chạy qua MỴM2 thì xuất hiện lực từ F tác dụng lên MỵM2. Thực nghiệm chứng tỏ rằng : FJ- MỴM2 và F vuông góc với đường sức từ.
Kết quả làFcó phương nằm ngang và có chiều như Hình 20.2b.
Dưới tác dụng của trọng lực mg và lực từ F, khi cân bằng, tổng mg + F trực đối với lực căng T của hai dây treo. Hai dây OỊMỊ và O2M2 lệch góc 3 so với phương thẳng đứng. Lực F có cường độ được xác định bởi công thức :
F = mgtand	(20.1)
HI
Dễ dàng nhận thấy, hướng dòng điện M\M2, hướng của từ trường (kí hiệu là 5) và hướng của lựcF tạo thành một tam diện thuận.
CẢM ỨNG TỪ
Thí nghiệm mô tả ở mục trên cho phép xác định lực từ F do từ trường tác dụng lên đoạn dây dẫn
= l có dòng điện cường độ I chạy qua.
Tiếp tục tiến hành thí nghiệm trong đó cho I và /
thay đổi, kết quả cho thấy thương số yy không thay
đổi. Thương số đó chỉ phụ thuộc vào tác dụng của từ trường tại vị trí đặt đoạn dây dẫn	Nói cách
khác, có thể coi thương số đó đặc trưng cho tác dụng của từ trường tại vị trí khảo sát. Người ta định nghĩa thương số đó là cảm ứng từ tại vị trí đang xét, kí hiệu là B :
(20.2)
Trong công thức (20.2), ta đã chọn đơn vị đo các đại lượng sao cho hệ số tỉ lệ bằng 1.
2. Đơn vị cảm ứng từ
Trong hệ SI, đơn vị cảm ứng từ là tesla (T). Trong công thức (20.2), F đo bằng niutơn (N), I đo bằng ampe (A) và / đo bằng mét (m).
Vectơ cảm ứng từ
Người ta biểu diễn cảm ứng từ bằng một vectơ gọi là vectơ cảm ứng từ, kí hiệu là B{ 0-
Vectơ cảm ứng từ B tại một điểm :
Có hướng trùng vói hướng của từ trường tại điểm đó ;
Có độ lớn là : B = ~-
Biểu thức tổng quát củạ lực từ F theo B
Trước hết, ta định nghĩa vectơ phần tử dòng điện lĩ là vectơ IMịMi, cùng hướng với dòng điện và có độ lớn bằng II. Dựa vào những kết quả thực nghiệm đã nêu ở trên, có thể xác định lực từ F tác dụng lên một phần tử dòng điện IMXM~, = /f khi đặt trong một từ trường đều, cảm ứng từ làB :
Lực từ F cá điểm đặt tại trung điểm của MịM,, có phương vuông góc với l và B, có chiều tuân theo quỵ tắc bàn tay trái rò có độ lớn :
F = IlBsma	(20.3)
trong đó a là góc tạo bởi B và ĩ.
Từ trường
6(T)
- Nam châm điện siêu dẫn
20
-Trên bề mặt của Mặt Trời
5
- Nam châm điện lớn
2
- Nam châm thông thường
10“2
- Kim nam châm
10“4
-Trái Đất
5.10~5
Vài ví dụ vé cỡ độ lớn của cảm ứng từ 6:
B
(1) Sau này, người ta thường nói tắt: hướng của từ trường và độ lớn của từ trường. Ta hiểu đó chính là hướng của B và độ lớn của B.
I
Tại mỗi điểm trong không gian có từ trường xác định một vectữ cảm ứng từ B :
— Có hướng trùng VỚI hướng của từ trường;
— Có độ lớn bằng ", với F là độ lớn của lực từ tác dụng lên phẩn tử dòng điện có độ dài /, cường độ /, đặt vuông góc với hướng của từ trường tại điểm đó.
Lực từ F tác dụng lên phẩn tử dòng điện lị đặt trong từ trường đều, tại đó cảm ứng từ
— Có điểm đật tại trung điếm cùa'/;
— Có phương vuông góc với /và B;
-Có chiếu tuân theo quy tắc bàn tay trái;
— Có độ lớn: •
F = IlBsina
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Phát biểu các định nghĩa :
Từ trường đểu ;
Lực từ;
Cảm ứng từ.
Phát biểu định nghĩa đơn vị tesla.
So sánh lực điện và lực từ.
•—■ ..
Phát biểu nào dưới đây là sai ?
Lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện
vuông góc với phần tử dòng điện.
cùng hướng với từ trường, c. tỉ lệ với cường độ dòng điện.
D. tỉ lệ với cảm ứng từ.
Phát biểu nào dưới đây là đúng ?
Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường
vuông góc với đường sức từ.
nằm theo hướng của đường sức từ. c. nằm theo hướng của lực từ.
D. không có hướng xác định.
Phẩn tử dòng điện lĩ nằm trong từ trường đều có các đường sức từ thẳng đứng. Phải đặt ỉĩ như thế nào để cho lực từ
nằm ngang ?
bằng 0 ?
Phần tử dòng điện /fđược treo nằm ngang trong một từ trường đều. Hướng và độ lớn của cảm ứng từ ẽ phải như thế nào để lực từ cân bằng với trọng lực mg của phần tử dòng điện ?