Lực từ, Cảm ứng từ là gì, Công thức cách tính lực từ và quy tắc Bàn tay trái - Vật lý 11 bài 20

Vậy từ trường là gì, vectơ cảm ứng từ là gì? Công thức tính lực từ và cảm ứng từ viết như thế nào? Quy tắc bàn tay trái phát biểu ra sao? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Lực từ là gì

1. Từ trường đều

- 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 chữu U.

2. 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 như hình dưới), ta đặt một đoạn dây dẫn M₁M₂ = l vuông góc với các đường sức từ.

- Giả sử M₁M₂ được treo nằm ngang nhờ hai dây dẫn mảnh cùng độ dài O₁M₁ = O₂M₂, có hai đầu O₁ và O₂ được giữ cố định. Dòng điện đi vào O₁ và đi ra O₂ qua dây dẫn M₁M₂ theo chiều từ M₁ đến M₂.

- Khi cho dòng điện có cường độ I chạy qua M₁M₂ thì xuất hiện lực từ  tác dụng lên M₁M₂. Kết quả là  có phương nằm ngang và có chiều như hình sau:

- Lực  có cường độ được xác định bởi công thức: F= mgtanθ.

II. Cảm ứng từ là gì?

1. Thí nghiệm

- Tiếp tục thí nghiệm trên nhưng cho I và l thay đổi, kết quả cho thấy thương số  không thay đổi. Thương số này đặc trưng cho tác dụng của từ trường tại vị trí khảo sát được gọi là cảm ứng từ tại vị trí đang xét, kí hiệu là B:

- Công thức tính cảm ứng từ: 

2. Đơn vị cảm ứng từ

- Trong hệ SI, đơn vị cảm ứng từ là tesla (T):  

3. Vectơ cảm ứng từ

• Người ta biểu diễn cảm ứng từ bằng một vectơ gọi là vectơ cảm ứng từ, kí hiệu là 

• Vectơ cảm ứng  từ tại một điểm:

- Có hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó;

- Có độ lớn là: 

4. Biểu thức tổng quát của lực từ  theo cảm ứng từ 

- Lực từ  có điểm đặt tại trung điểm của M₁M₂ có phương vuông góc với  và , có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn: F = IlBsinα, trong đó α là góc tạo bởi  và .- Phát biểu quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều dòng điện, khi đó ngón tay cái choãi ra 90⁰ chỉ chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện.

III. Bài tập vận dụng công thức tính lực từ, cảm ứng từ

* Bài 1 trang 128 SGK Vật Lý 11: Phát biểu các định nghĩa:

a) Từ trường đều.

b) Lực từ.

c) Cảm ứng từ.

° Lời giải bài 1 trang 128 SGK Vật Lý 11:

a) Từ trường đều.

- Là từ trường có các đường sức từ là những đường thẳng song song, cùng chiều và cách đều nhau.

b) Lực từ

• Vectơ lực từ  là lực tác dụng nên một dòng điện hay một phần tử dòng điện đặt trong từ trường.

• Vectơ lực từ  tác dụng nên phần tử dòng điện I.  khi đặt trong từ trường đều, tại đó có cảm ứng từ  được xác định như sau:

- Điểm đặt: Tại trung điểm của M₁M₂

- Phương: vuông góc với l và B.

- Chiều: tuân theo quy tắc bàn tay trái.

- Độ lớn: F = I.B.l.sinα (trong đó α là góc hợp bởi B và l)

c) Cảm ứng từ.

•  Vectơ cảm ứng từ  đặc trưng cho từ trường tại một điểm, được xác định như sau:

- Hướng: Trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

- Độ lớn: 

 Trong đó: F là độ lớn của lực từ tác dụng nên phần tử dòng điện có độ dài l, cường độ dòng điện I đặt vuông góc với hướng của từ trường tại điểm đó.

- Đơn vị của cảm ứng từ là testla (T):  

* Bài 2 trang 128 SGK Vật Lý 11: Phát biểu định nghĩa đơn vị Tesla.

° Lời giải bài 2 trang 128 SGK Vật Lý 11:

- Tesla là cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường khi đặt một dây dẫn có chiều dài l = 1m vuông góc với B, cho dòng điện 1A chạy qua thì lực từ tác dụng lên dây là 1N, ta có:

* Bài 3 trang 128 SGK Vật Lý 11: So sánh lực điện và lực từ.

° Lời giải bài 3 trang 128 SGK Vật Lý 11:

• Lực điện:

- Công thức: 

- Lực điện là lực tương tác giữa các điện tích đứng yên

- Tác dụng lên hạt mang điện

- Phụ thuộc vào dấu điện tích

- Cùng phương với điện trường

• Lực từ:

- Công thức: 

- Lực từ là lực tương tác giữa các nam châm và dòng điện (bản chất là lực tương tác giữa các điện tích chuyển động)

- Tác dụng lên phân tử dòng điện

- Phụ thuộc chiều dòng điện

- Luôn vuông góc với phần tử dòng điện và từ trường.

* Bài 4 trang 128 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào dưới đây sai? Lực từ tác dụng nên 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

° Lời giải bài 4 trang 128 SGK Vật Lý 11:

¤ Chọn đáp án: B. Cùng hướng với từ trường

- Vì lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện luôn vuông góc với véctơ cảm ứng từ B ⇒ câu B sai.

* Bài 5 trang 128 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào dưới đây là đúng? Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường