Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều bài 2 Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện

MỞ ĐẦU 

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?

Bài làm chi tiết:

Người ta đưa ra một đại lượng được gọi là cảm ứng từ để đặc trưng cho từ trường tại một điểm về mặt tác dụng lực. Đó là một đại lượng vectơ:

+ Có phương trùng với phương của kim nam châm cân bằng tại điểm đang xét, có chiều từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm;

+ Có độ lớn là: B=FIlsinθ 

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

Câu 1: Mô tả chiều của lực điện tác dụng lên điện tích trong điện trường

Bài làm chi tiết:

Khi đặt trong từ trường được mô tả theo hình vẽ, chiều lực điện tác dụng lên điện tích trong điện trường là:

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

Bài làm chi tiết:

Để xác định hướng của lực từ khi đặt một đoạn dây dẫn mang dòng điện trong từ trường, nó chịu tác dụng 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 3: 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.

Hình 2.4:

Bài làm chi tiết:

Giải thích:

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) như sau:

Câu 4: Dùng quy tắc bàn tay trái nghiệm lại chiều của lực từ giữa 2 dòng điện thẳng như Hình 2.5.

Bài làm chi tiết:

Trước 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.

II. CẢM ỨNG TỪ

Câu 5: 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? 

Bài làm chi tiết:

Khi đặt nam châm 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 6: Tại sao thông qua số chỉ của cân có thể biết độ lớn của lực từ?

Bài làm chi tiết:

Thông qua số chỉ của cân có thể biết độ lớn của lực từ là:

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.

Luyện tập: Một dây dẫn dài 50 cm mang dòng điện được đặt vuông góc với một từ trường có B = 5mT

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.

Bài làm 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)  Áp dụng công thức để tính độ lớn lực từ tác dụng lên dây dẫn, ta có:

F= BIlsinθ

Do dòng điện được đặt vuông góc với cảm ứng từ B, do đó =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.

Vận dụng: Thảo luận để 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.

Bài làm chi tiết:

Chuẩn bị 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).