Bài 15. Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ trang 61, 62, 63 Vật lý 12 Kết nối tri thức: Tính chất cơ bản của từ trường là gây ra lực từ tác dụng lên một...

Câu hỏi:

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?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lí thuyết lực từ

Lời giải chi tiết :

Lực từ là lực tác dụng lên nam châm hay dòng điện đặt trong từ trường. Lực từ có những đặc điểm sau:

1. Phương và chiều:

- Lực từ có phương vuông góc với đường sức từ tại điểm đặt lực.

- Chiều của lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái hoặc quy tắc nắm tay phải.

2. Cường độ:

- Cường độ của lực từ phụ thuộc vào:

+ Độ mạnh của từ trường: Lực từ càng mạnh khi từ trường càng mạnh.

+ Cường độ dòng điện: Lực từ càng mạnh khi cường độ dòng điện càng lớn.

+ Khối lượng của nam châm: Lực từ càng mạnh khi khối lượng của nam châm càng lớn.

- Biểu thức tính cường độ của lực từ: F = BIlsinα

3. Tác dụng:

- Lực từ có thể làm cho nam châm quay hoặc chuyển động.

- Lực từ có thể làm cho dòng điện đổi chiều.

4. Ứng dụng:

- Lực từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

+ Chế tạo động cơ điện, máy phát điện.

+ Chế tạo loa, micro.

+ Chế tạo các thiết bị y tế như máy MRI.

Câu hỏi:

Thí nghiệm

Chuẩn bị: Thiết bị thí nghiệm gồm:

- Hộp gỗ có gắn các thiết bị dưới đây:

+ Nam châm điện có gắn hai tấm 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 2 A (5), (6).

+ Hai biến trở xoay 100 S -2 A (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 = 10 cm (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 12 V (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.

Hướng dẫn giải :

Quan sát và giải thích hiện tượng

Lời giải chi tiết :

1. Quan sát và giải thích hiện tượng:

- Khi đóng khóa K, khung dây sẽ quay một góc nhất định.

- Khi ngắt khóa K, khung dây sẽ quay trở lại vị trí ban đầu.

- Giải thích:

+ Khi đóng khóa K, dòng điện chạy qua khung dây, tạo ra từ trường riêng của khung dây.

+ Từ trường của khung dây 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.

+ Khi ngắt khóa K, dòng điện chạy qua khung dây bị ngắt, từ trường của khung dây cũng bị mất.

+ Lực từ tác dụng lên khung dây cũng mất đi, do đó khung dây quay trở lại vị trí ban đầu.

2. Xác định chiều:

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

- Dòng điện: Chiều của dòng điện được xác định theo quy tắc nắm tay phải.

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

- Dựa vào thí nghiệm:

+ Đèn chỉ hướng từ trường trong lòng nam châm điện cho ta biết chiều của cảm ứng từ.

+ Chiều chuyển động của khung dây cho ta biết chiều của lực từ.

+ Từ đó, ta có thể xác định được chiều của dòng điện.

3. Dự đoán hiện tượng:

- Nếu đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện:

+ Chiều của cảm ứng từ bên trong lòng nam châm điện sẽ bị đổi.

+ Chiều của lực từ tác dụng lên khung dây cũng sẽ bị đổi.

+ Do đó, khung dây sẽ quay theo chiều ngược lại.

- Nếu đổi chiều dòng điện chạy qua khung dây:

+ Chiều của từ trường do khung dây tạo ra sẽ bị đổi.

+ Chiều của lực từ tác dụng lên khung dây cũng sẽ bị đổi.

+ Do đó, khung dây sẽ quay theo chiều ngược lại.

4. Cách xác định chiều của lực từ:

- Quy tắc bàn tay trái:

+ Đặt bàn tay trái sao cho ngón cái hướng về phía Bắc của kim nam châm.

+ Các ngón tay còn lại sẽ cho ta biết chiều của đường sức từ.

+ Chiều của lực từ ngược với chiều của đường sức từ.

- Quy tắc nắm tay phải:

+ Nắm tay phải sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện.

+ Ngón cái cho ta biết chiều của đường sức từ.

+ Chiều của lực từ vuông góc với đường sức từ.

Câu hỏi:

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.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng quy tắc bàn tay trái

Lời giải chi tiết :

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?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng quy tắc bàn tay trái

Lời giải chi tiết :

Câu hỏi:

1. Xét một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài L = 1 m, có dòng điện I = 3 A 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 vectơ cảm ứng từ một góc 60°.

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 mT.

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 điện tích electron là \(\left| e \right| = 1,{60.10^{ - 19}}C\)

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

Hướng dẫn giải :

1. Áp dụng công thức \(F = BIL\sin \alpha \)

2. Áp dụng công thức \(I = \frac{{nq}}{t}\), \(F = BIL\sin \alpha \)

Lời giải chi tiết :

1. \(F = BIL\sin \alpha = {5.10^{ - 2}}.3.1.\sin 60^\circ = 0,75N\)

2.

a) \(I = \frac{{nq}}{t} = \frac{{{{10}^{18}}.1,{{6.10}^{ - 19}}}}{1} = 1,6A\)

b) \(F = BIL = {5.10^{ - 3}}.1,6.0,5 = 0,4N\)

Câu hỏi:

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 α bằng bao nhiêu? Tại sao?

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

Hướng dẫn giải :

Từ công thức (15.1) trả lời câu hỏi

Lời giải chi tiết :

a) Để xác định cảm ứng từ thì cần đo các đại lượng: cường độ dòng điện, lực từ, chiều dài dây dẫn đặt trong từ trường, góc hợp giữa vectơ cảm ứng từ B và vectơ cường độ dòng điện I.

b) Nên đặt góc α = 90°. Lý do:

- Khi α = 90°, sinα = 1, giúp đơn giản hóa phép tính.

- Lực từ F đạt giá trị cực đại, dễ dàng đo lường.

c) Các bước tiến hành thí nghiệm

- Bật nguồn điện và điều chỉnh cường độ dòng điện I chạy qua nam châm điện.

- Ghi lại giá trị lực từ F hiển thị trên lực kế.

- Lặp lại bước 3 với các giá trị khác nhau của cường độ dòng điện I.

Câu hỏi:

- Tính \(\frac{F}{{IL}}\)và điền vào bảng như ví dụ minh họạ ở Bảng 15.1.

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

Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm:

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

Hướng dẫn giải :

Dựa vào bảng 15.1

Lời giải chi tiết :

- Tính \(\frac{F}{{IL}}\)

- Giá trị trung bình:

\(\overline B = \frac{{0,010 + 0,013 + 0,012 + 0,011}}{4} = 0,0115T\)

Sai số phép đo:

\(\Delta B = \frac{{\left| {\overline B - {B_1}} \right| + \left| {\overline B - {B_2}} \right| + \left| {\overline B - {B_3}} \right| + \left| {\overline B - {B_4}} \right|}}{4} = 0,001\)

- Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo cảm ứng từ, bao gồm: sai số dụng cụ, sai số thao tác, sai số do môi trường. Giải pháp giảm sai số:

+ Đối với sai số dụng cụ: Sử dụng dụng cụ đo có độ chính xác cao hơn, kiểm tra, hiệu chỉnh dụng cụ đo trước khi sử dụng, sử dụng dụng cụ đo phù hợp với phạm vi đo cần thiết.

+ Đối với sai số thao tác: Tăng cường kỹ năng thao tác thí nghiệm, đọc giá trị dụng cụ cẩn thận, chính xác, lặp lại phép đo nhiều lần để tăng độ tin cậy.

+ Đối với sai số do môi trường: Chọn vị trí đặt thí nghiệm ít nhiễu từ trường ngoài, giảm thiểu rung động, chấn động trong quá trình đo, ổn định nhiệt độ môi trường xung quanh.