Bài 2. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ trang 58, 59, 60 Vật lý 12 Cánh diều: Ta đã biết, đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường...

Câu hỏi:

Ta đã biết, đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường là cường độ điện trường. Đại lượng nào đặc trưng cho tác dụng lực của từ trường?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức về điện trường suy ra từ trường

Lời giải chi tiết :

Đại lượng cảm ứng từ đặc trưng cho tác dụng lực của từ trường

Câu hỏi:

Mô tả chiều của lực điện tác dụng lên điện tích ở trong điện trường.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lí thuyết về chiều lực điện

Lời giải chi tiết :

Chiều của lực điện tác dụng lên điện tích dương khi đặt trong từ trường được mô tả theo hình vẽ:

Lực từ tác dụng lên điện tích âm sẽ ngược chiều so với lực tác dụng lên điện tích dương tương ứng ở cùng vị trí trong điện trường.

Câu hỏi:

Làm thế nào để xác định hướng của lực từ do từ trường tác dụng lên một đoạn dòng điện?

Hướng dẫn giải :

Dựa vào các thí nghiệm

Lời giải chi tiết :

Khi đặt một đoạn dây dẫn mang dòng điện trong từ trường, nó chịu tác dụng của lực từ, để xác định hướng của lực từ, ta có thể tiến hành thí nghiệm sau:

Dụng cụ

- Khung dây dẫn (1).

- Nam châm (2)

- Lò xo (3).

- Giá treo (4).

- Dây dẫn được nói đến nguồn điện (5).

Phương án thí nghiệm

+ Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho

+ Thiết kế phương án thí nghiệm để tìm phương của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện bằng các dụng cụ này

Tiến hành

- Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.1.

- Treo khung dây để mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ của nam châm: cạnh AB của khung nằm ngang trong vùng từ trường đều ở khoảng không gian giữa hai cực của nam châm.

- Cho dòng điện có cường độ / chạy qua khung dây với chiều từ A đến B và quan sát hiện tượng xảy ra với khung dây.

- Đối chiếu cường độ dòng điện chạy qua khung dây và quan sát hiện tượng xảy ra với khung dây

Kết quả

- Khi có dòng điện chạy qua khung dây theo chiều từ A đến B, khung dây bị kéo thẳng đứng xuống dưới. Điều này cho thấy, lực từ tác dụng lên AB có phương thẳng đứng, vuông góc với cả đoạn dòng điện AB và đường sức từ (Hình 2.2).

Câu hỏi:

Dụng cụ

- Khung dây dẫn (1).

- Nam châm (2)

- Lò xo (3).

- Giá treo (4)

- Dây dẫn được nối đến nguồn điện (5).

Phương án thí nghiệm

+ Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho

+ Thiết kế phương án thí nghiệm để tìm phương của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện bằng các dụng cụ này.

Tiến hành

- Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.1.

- Treo khung dây để mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ của nam châm; cạnh AB của khung nằm ngang trong vùng từ trường đều ở khoảng không gian giữa hai cực của nam châm.

- Cho dòng điện có cường độ 1 chạy qua khung dây với chiều từ A đến B và quan sát hiện tượng xảy ra với khung dây.

- Đối chiều cường độ dòng điện I chạy qua khung dây và quan sát hiện tượng xảy ra với khung dây.

Kết quả

- Khi có dòng điện chạy qua khung dây theo chiều từ A đến B, khung dây bị kéo thẳng đứng xuống dưới. Điều này cho thấy, lực từ tác dụng lên AB có phương thẳng đứng, vuông góc với cả đoạn dòng điện AB và đường sức từ (Hình 2.2).

Hướng dẫn giải :

Thực hiện thí nghiệm

Lời giải chi tiết :

Khi có dòng điện chạy qua khung dây theo chiều từ A đến B, khung dây bị kéo thẳng đứng xuống dưới. Điều này cho thấy, lực từ tác dụng lên AB có phương thẳng đứng, vuông góc với cả đoạn dòng điện AB và đường sức từ (Hình 2.2).

Câu hỏi:

Trường hợp nào trong Hình 2.4 có lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện? Tìm phương và chiều của lực từ trong trường hợp đó.

Hướng dẫn giải :

Áp dụng quy tắc bàn tay trái

Lời giải chi tiết :

Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy có trường hợp b) và c) là có lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn, trong trường hợp a) chiều của đường sức từ hợp với dòng điện một góc 0^o do đó không có lực từ tác dụng lên dây trong trường hợp này hay lực tác dụng lên dây: F = 0N.

Dùng quy tắc bàn tay trái ta có thể xác định được chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn trong trường hợp b) và c)

Câu hỏi:

Dùng quy tắc bàn tay trái nghiệm lại chiều của lực từ giữa hai dòng điện thẳng như Hình 2.5.

Hướng dẫn giải :

Dùng quy tắc bàn tay trái

Lời giải chi tiết :

Đầu tiên, ta xét 2 dòng điện cùng chiều, áp dụng quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều của cảm ứng từ do dòng điện I1 gây ra tại vị trí đặt dòng điện I2 là thẳng đứng hướng xuống. Khi đó áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều của lực từ do cảm ứng từ của dòng I1 gây ra tại dòng I2 đúng như hình vẽ, áp dụng tương tự với lực từ của dòng I2 tác dụng lên I1.

Xét 2 dòng điện ngược chiều, ta cũng áp dụng tương tự, dùng quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều của cảm ứng từ của dòng I1 gây ra tại vị trí đặt dòng I2 là đi xuống, ta thấy dòng điện I2 lúc này ngược chiều với dòng I2 lúc trước, khi đó áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy chiều của lực từ lúc này ngược chiều so với trường hợp trên, áp dụng tương tự với lực từ của dòng I2 tác dụng lên I1.

Câu hỏi:

Trong sơ đồ thí nghiệm ở Hình 2.6, dòng điện đi qua đoạn dây dẫn nằm trong từ trường có thể từ trái sang phải hoặc từ phải sang trái.

Dòng điện đi theo chiều nào thì số chỉ của cân tăng lên so với khi chưa có dòng điện trong khung dây?

Hướng dẫn giải :

Quan sát sơ đồ thí nghiệm

Lời giải chi tiết :

Ta thấy nam châm đang đặt trên cân, khối lượng của nam châm không đổi, để số chỉ của cân tăng lên thì lực tác dụng của dây dẫn có điện lên thanh nam châm phải có hướng đi xuống, mà lực mà dây dẫn có dòng điện tác dụng lên nam châm sẽ có chiều ngược lại so với lực mà nam châm tác dụng lên dây dẫn mang điện. Do đó lực mà nam châm tác dụng lên dây dẫn phải có chiều đi lên, ta thấy chiều của cảm ứng từ có chiều từ ngoài vào trong do bên ngoài là cực Bắc, bên trong cực Nam, khi đó áp dụng quy tắc bàn tay trái từ chiều cảm ứng từ của nam châm là hướng từ ngoài vào và chiều của lực từ là hướng từ dưới lên ta xác định được chiều của dòng điện là từ trái qua phải.

Câu hỏi:

Dụng cụ

- Đoạn dây dẫn (1); Nam châm (2); Cân (3).

Phương án thí nghiệm

- Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho.

- Thiết kế phương án thí nghiệm đo độ lớn cảm ứng từ bằng các dụng cụ này.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ đã cho.

1) Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.6.

Đoạn dây dẫn được cố định theo phương ngang giữa hai cực của nam châm. Dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn từ biến áp nguồn (không thể hiện trong Hình 2.6).

2) Đo và ghi chiều dài l của đoạn dây dẫn nằm ngang trong từ trường theo mẫu Bảng 2. 2.

3) Ấn nút hiệu chỉnh để cân chỉ số "0”.

4) Bật nguồn điện. Đo và ghi cường độ dòng điện l và số chỉ m của cân theo Bảng 2.2.

5) Điều chỉnh biến áp nguồn để có các giá trị khác nhau của cường độ dòng điện 1. Lặp lại bước 4 cho đến khi có ít nhất ba giá trị khác nhau của I và m. Tắt nguồn điện.

Kết quả

Lấy g = 9,8 m/s²

- Tính độ lớn của cảm ứng từ.

- Tính sai số.

- Viết kết quả

\(B = \overline B \pm \Delta B\)

Bảng 2.2 là kết quả thu được trong một lần thí nghiệm với các dụng cụ Hình 2.6.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính cảm ứng từ

Lời giải chi tiết :

- \(\overline F = \frac{{5,7 + 7,6 + 8,8}}{3} = 7.4N\)

\(\overline I = \frac{{0,34 + 0,48 + 0,59}}{3} = 0,47A\)

\(\overline B = \frac{{\overline F }}{{\overline I .l\sin \theta }} = \frac{{7,4}}{{0,47.0,1.\sin 90^\circ }} = 157,45T\)

- Sai số: \(\Delta B = \frac{{\left| {\overline B - {B_1}} \right| + \left| {\overline B - {B_2}} \right| + \left| {\overline B - {B_3}} \right|}}{3} = 0,04\)

- Viết kết quả: \(B = \overline B \pm \Delta B = 157,45 \pm 0,04\)

Câu hỏi:

Tại sao thông qua số chỉ của cân có thể biết được độ lớn của lực từ?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lí thuyết lực từ

Lời giải chi tiết :

Như ta thường dùng cân để đo đạc khối lượng của vật, nhưng khi ta tác dụng lực vào đĩa cân, chỉ số của cân cũng thay đổi, do bản chất của cân là đo lực tác dụng lên đĩa cân mà khi đo khối lượng của đồ vật là lực mà trọng lực của vật tác dụng lên đĩa cân, do đó khi lực từ của dây dẫn mang điện tác dụng lên thanh nam châm, nó sẽ làm cho thanh nam châm bị kéo thẳng đứng xuống dưới hoặc bị đẩy lên trên và làm cho chỉ số của cân bị thay đổi, từ đó ta có thể xác định được lực từ tác dụng tương ứng theo số chỉ thay đổi của cân.

Câu hỏi:

Một dây dẫn dài 50 cm mang dòng điện được đặt vuông góc với một từ trường có B= 5,0 mT.

a) Nếu trong mỗi giây có 10¹⁸ electron đi qua tiết diện thẳng của dây dẫn thì cường độ dòng điện là bao nhiêu? (e= 1,6.10^-19 C).

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

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính lực từ

Lời giải chi tiết :

a) Mỗi giây có 10¹⁸ electron đi qua tiết diện thẳng của dây dẫn do đó dây dẫn mang dòng điện đều có: q = n.-e = -10¹⁸.1,6.10^-19 C = -0,16 C mà dòng điện là dòng không đổi, do đó: I= |q|/t = 0,16/1 = 0,16 A.

Do đó cường độ dòng điện của dây dẫn là I = 0,16 A.

b) Để tính độ lớn lực từ tác dụng lên dây dẫn ta dùng công thức:

\(F = BIl\sin \theta \)

Do dòng điện được đặt vuông góc với cảm ứng từ B, do đó \(\theta \)=90^o, ta có:

F = 5.10^-3.0,16.0,5 =4.10^-4 N

Vậy lực từ tác dụng lên dây dẫn có độ lớn: F = 4.10^-4 N.

Câu hỏi:

Thảo luận đề xuất phương án với các dụng cụ thực hành ở trường của bạn và thực hiện phương án thí nghiệm để đo cảm ứng từ của dòng điện

Hướng dẫn giải :

Dựa vào mục đích thí nghiệm

Lời giải chi tiết :

Dụng cụ

- Đoạn dây dẫn (1); Nam châm (2); Cân (3).

Phương án thí nghiệm

– Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho.

- Thiết kế phương án thí nghiệm đo độ lớn cảm ứng từ bằng các dụng cụ này.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ đã cho.

1) Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.6.

Đoạn dây dẫn được cố định theo phương ngang giữa hai cực của nam châm. Dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn từ biến áp nguồn (không thể hiện trong Hình 2.6).

2) Đo và ghi chiều dài 1 của đoạn dây dẫn nằm ngang trong từ trường theo mẫu Bảng 2. 2.

3) Ấn nút hiệu chỉnh để cân chỉ số "0”.

4) Bật nguồn điện. Đo và ghi cường độ dòng điện 1 và số chỉ m của cân theo Bảng 2.2.

5) Điều chỉnh biến áp nguồn để có các giá trị khác nhau của cường độ dòng điện I. Lặp lại bước 4 cho đến khi có ít nhất ba giá trị khác nhau của I và m. Tắt nguồn điện.

Kết quả

Lấy g = 9,80 m/s²

– Tính độ lớn của cảm ứng từ.

- Tính sai số.

- Viết kết quả.

B=B+B’ Bảng 2.2 là kết quả thu được trong một lần thí nghiệm với các dụng cụ Hình 2.6.

Bảng 2.2. Kết quả thí nghiệm (l = 10 cm).