Chương 4: Từ trường docx

Từ trường Khoảng không gian xung quanh nam châm và khoảng không gian xung quanhdòng điện có tính chât giống nhau là tác dụng lực từ lên kim nam châm đặt trong chúng.Khi xét sự tương tác

II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔĐUN

Đây là môđun thứ 6 trong số 7 môđun đề cập đến kiến thức và kỹ năng thiết kế bàidạy học cũng như tổ chức dạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay Ở môđun này, giáoviên HV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đến

Từ trường theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương Những kiến thứcnày, phần lớn được khai thác từ Internet

Công việc quan trọng là học viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương,cùng nhau thảo luận, trao đổi để tìm được phương án thiết kế tối ưu nhất

Thời gian cho môđun này là 1 buổi (4 tiết)

III TÀI LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN

Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Tài liệu bồi dưỡng thay sách giáo khoaVật lí 11, Phụ lục 6a

IV HOẠT ĐỘNG

Hoạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương

Nhiệm vụ:

- GgV giới thiệu cấu trúc Phụ lục 6a

- HV làm việc theo nhóm bằng cách đọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận

Thông tin cho hoạt động:

- Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế

Thông tin cho hoạt động:

Từ xa xưa, người ta đã phát hiện ra một số

mẫu quặng có khả năng hút được các vật nhỏ bằng

sắt Ban đầu loại quặng đó được gọi là "đá nam

châm'', đó thực chất là các nam châm tự nhiên mà

ngày nay chúng ta đã biết Mỗi nam châm có hai cực

khác nhau gọi là cực Bắc và cực Nam Những nam

châm cũng có thể hút hoặc đẩy nhau tuỳ theo cách

chúng ta đặt những nam châm đó tương đối với nhau

Mỗi nam châm có hai cực khác nhau: Cực Bắc

(North) và cực Nam (South) Nếu hai cực cùng tên

của hai nam châm ở gần nhau chúng sẽ đẩy nhau

Nếu ta đặt hai cực khác tên lại gần nhau hai nam

châm hút nhau Sự tương tác giữa các nam châm được gọi là tương tác

từ

Năm 1600, nhà bác học William Gillbert (1540 – 1603) đã

trình bày những cơ sở ban đầu của điện học và từ học đầu tiên

Gillbert đã chế tạo một nam châm mà ông gọi là “terralla” và nghiên

cứu tác dụng của một kim nam châm với “terralla” Ông thấy rằng có

sự tác dụng từ giữa chúng Gillbert cũng nghiên cứu các hiện tượng

điện một cách có hệ thống Khi khảo sát các hiện tượng điện và từ,

ông đã đi đến kết luận rằng chúng hết sức khác nhau và không có gì

liên quan với nhau Như vậy, Gillbert đã thấy tương tác điện và tương tác từ là hai loạitương tác khác nhau, song ông chưa thấy mối quan hệ giữa các hiện tượng điện và từ

Quan niệm của Gillbert đã tồn tại cho đến năm 1820, trước khi nhà vật lý ngườiĐan Mạch Han Christian Oersted (Ơ-xtét, 1777-1851) phát minh ra từ trường của dòngđiện Ông thấy rằng nếu đặt một dây dẫn ở cạnh một kim nam châm rồi cho dòng diệnchạy qua dây dẫn thì kim nam châm sẽ quay lệch đi Khi đổi chiều dòng điện chạy qua,kim nam châm lệch theo chiều ngược lại

Mặt khác nam châm cũng tác dụng lực lên một dòng điện Đưa một thanh namchâm lại gần một cuộn dây; cuộn dây có thể bị hút hay bị đấy bởi thanh nam châm

Han Christian Oersted

-http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/oersted/index.html

Ðầu thế kỷ XIX, nhà vật lí Pháp Ampère phát hiện rằng: hai dây dẫn mang dòngđiện cũng tương tác với nhau Hai dây dẫn đặt song song với nhau sẽ hút nhau nếu tronghai dây có dòng điện chạy cùng chiều, và chúng đẩy nhau nếu dòng điện chạy ngượcchiều Như vậy, cuộn dây có dòng điện chạy qua cũng hút hoặc đẩy nhau Mỗi cuộn dây

có dòng điện chạy qua, tương đương với một nam châm, cũng có hai cực Cực tương

đương với cực Bắc của nam châm được gọi là cực bắc của cuộn dây, đó là cực mà nếu nhìn từ ngoài vào cuộn dây, ta thấy dòng điện đi ngược chiều kim đồng hồ Hai cuộn

dây có dòng điện chạy qua hút nhau nếu hai cực khác tên của chúng gần nhau, và đẩynhau nếu hai cực cùng tên gần nhau Tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòngđiện với nam châm và giữa dòng điện với dòng điện đều gọi là tương tác từ

Tương tác từ có bản chất khác tương tác điện Tương tác điện xuất hiện khi cócác điện tích và phụ thuộc vào vị trí và độ lớn của các điện tích đó Tương tác từ chỉ xuấthiện khi có các dòng điện, và phụ thuộc vào dòng điện đó hay nói khác là tương tác từxuất hiện khi các điện tích chuyển động và phụ thuộc vào tính chất chuyển động đó.Giữa các dòng điện có tương tác từ vì dòng điện là dòng các điện tích chuyển động Đisâu hơn nữa ta sẽ thấy sở dĩ giữa các nam châm, giữa nam châm với dòng điện có tươngtác từ, chính là vì trong nam châm cũng có những dòng điện mà Ampere gọi là dòng điệnphân tử Ngày nay, dòng điện phân tử được hiểu là dòng điện do vận động nội tại của cáchạt mang điện trong nguyên tử và hạt nhân gây ra Bản chất và quy luật của vận động nộitại này chỉ có thể được làm rõ trong khuôn khổ cơ học lượng tử

Cũng cần nói thêm rằng, mặc dù tương tác điện và tương tác từ là hai loại tươngtác nhưng sau này James Clerk Maxell (Mắc-xoen, 1831 - 1879) đã thống nhất được hailoại tương tác này và gọi chung là tương tác điện từ Lực tương tác từ là một phần củalực tương tác điện từ giữa các hạt tích điện chuyển động

1.2 Từ trường

Khoảng không gian xung quanh nam châm và khoảng không gian xung quanhdòng điện có tính chât giống nhau là tác dụng lực từ lên kim nam châm đặt trong chúng.Khi xét sự tương tác giữa các dòng điện, chúng ta đặt ra một số câu hỏi như sau: khi mộtdây dẫn có dòng điện đặt gần nó một dòng điện khác thì giữa chúng có lực tương tác;nhưng tại sao lại có lực tương tác đó? lực tương tác truyền từ dòng điện này sang dòngđiện khác như thế nào? Khi chỉ có một dòng điện, thì trong không gian quanh nó có gìbiến đổi không? Câu trả lời cũng giống như với tương tác tĩnh điện Sở dĩ giữa hai dòngđiện có tương tác từ vì xung quanh mỗi dòng điện đều có từ trường Khi có một dòngđiện đặt trong từ trường thì dòng điện đó chịu tác dụng lực của từ trường

Như vậy, từ trường là dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể

là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.Nhờ tính chất này, ta có thể nhận biết được sự hiện diện của từ trường và khảo sát các đặttrưng của nó Kim nam châm nhỏ thường dùng để phát hiện từ trường gọi là nam châmthử Vai trò của nam châm thử tương tự như vai trò của điện tích thử khi khảo sát điệntrường.Từ trường không phải chỉ là một khái niệm trừu tượng dùng để mô tả tương tác từ

mà là một thực thể vật lý tồn tại khách quan giống như điện trường Điện tích đứng yên

là nguồn gốc của điện trường tĩnh Các điện tích chuyển động vừa là nguồn gốc của điệntrường vừa là nguồn gốc của từ trường

Nghiên cứu từ phổ của từ trường các dòng điện, người ta nhận thấy các đườngsức từ là những đường cong khép khép kín Trường có các đường sức khép kín gọi là

-“Thiên tài làm cho cái bình dị trở thành cái vĩ đại, kẻ tầm thường làm cho cái đơn giản trở thành cái phức tạp”

một trường xoáy Do đó, từ trường là một trường xoáy hay có tính chất xoáy và đây là

điểm khác nhau cơ bản giữa điện trường và từ trường Như ta đã biết, các đường sức điệntrường tĩnh đi ra từ các hạt mang điện dương và đi vào các hạt mang điện âm, chúng làcác đường cong hở Vì vậy, điện trường tĩnh không phải là một trường xoáy Trái lại các

đường cảm ứng từ là những đường cong kín, chúng không có điểm xuất phát cũng không có điểm tận cùng Từ đó, người ta đã cho rằng trong tự nhiên không tồn tại các

"từ tích" Bởi vì nếu như có các hạt mang từ tích là nguồn gốc sinh ra từ trường (giống

như các hạt mang điện tích đứng yên là nguồn gốc sinh ra điện trường tĩnh) thì cácđường cảm ứng từ cũng sẽ phải xuất phát từ các loại hạt mang từ tích dương (quy ước là

"từ tích dương" chẳng hạn) và tận cùng trên các hạt mang từ tích âm và như vậy phải lànhững đường cong hở Và như vậy sẽ tồn tại những nam châm đơn cực từ, song cho đếnnay chưa phát hiện và chế tạo được các nam châm đơn cực từ và giả thuyết về "từ tích"

đã bị bác bỏ

1.3 Đường sức từ

1.3.1 Định nghĩa đường sức từ

Tiến hành thí nghiệm đơn giản sau:

Đặt nam châm thẳng lên một tấm bìa cứng

nằm ngang rồi rắc mạt sắt chung quanh nam

châm và gõ nhẹ tấm bìa Ta thấy: Các mạt sắt

sắp xếp theo một trật tự xác định, có dạng

như những đường cong tập trung vào hai cực

của nam châm Nếu ta gõ nhẹ tấm bìa, từng

“đường cong mạt sắt” có thể thay đổi nhưng

hình dạng tổng thể của hệ thống các đường

cong nay vẫn không đổi (video)

http://www.magnet.fsu.edu/education/t

utorials/slideshows/fieldlines/index.html

Tương tự như đường sức điện, để mô

tả từ trường một cách trực quan, người ta dùng

khái niệm đường sức từ Đó là một mô hình

biểu diễn từ trường bằng hình học Khi di

chuyển một kim châm có trục quay dọc theo

một trong những đường cong đó, thì thấy: Ở

mỗi điểm trên đường cong đó, kim nam châm

luôn có một hướng xác định, trục nam - bắc

của kim nam châm luôn tiếp tuyến với đường

cong Dựa vào dạng của “đường cong mạt sắt”

ta có thể vẽ được những đường cong đường

cong liên tục nối hai cực của nam châm sao

cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trên đường cong

trùng với phương Nam Bắc của kim nam

châm Những đường cong đó gọi là những

đường sức từ

Như vậy, đường sức từ là những đường cong có hướng được vẽ trong từ trường

sao cho tiếp tuyến của đường cong tại mỗi điểm trùng với trục kim nam châm tại điểm

đó Đường sức từ là đường cong có hướng được vẽ trong từ trường sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó.

-Thực nghiệm cho thấy các nam châm thử định hướng theo các đường sức từ Sựsắp xếp nhiều nam châm thử trong từ trường (chẳng hạn từ trường một nam châm thẳng)cho ta hình dung về đường sức từ của từ trường đó Chiều đường sức từ là chiều đi từcực Nam sang cực Bắc của nam châm thử nằm cân bằng trong từ trường

http://phet.colorado.edu/vi/simulation/generator

Đường sức từ có đặc tính:

 Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức

 Các đường sức là những đường khép kín và vô hạn ở hai đầu;

 Chiều của đường sức từ nam sang bắc của kim nam châm

 Đường sức mau ở nơi từ trường mạnh, thưa ở nơi từ trường yếu

1.3.2 Từ phổ và đường sức từ

1.3.2.1 Từ phổ và đường sức từ của nam châm

nằm ngang Cho dòng điện

chạy qua dây dẫn Rắc mạc

sắt và gõ nhẹ lên tờ bìa, ta thu

được từ phổ của dòng điện

thẳng trên tờ bìa Từ hình ta

thấy “Đường mạc sắt” trên tờ

bìa là những đường tròn đồng

tâm Tâm của các đường mạc

sắt là giao điểm của tờ bìa và

dòng điện Như vậy có thể suy

ra rằng đường sức từ của dòng

điện thẳng là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dòngđiện tâm của các đường cảm ứng từ là giao điểm của mặt phẳng với dòng điện

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/magwire/index.html

-Chiều của các

đường cảm ứng từ: Dùng

nam châm thử đặt trên

đường sức từ, biết chiều

đường sức từ, để ý đến

chiều của đường sức từ và

chiều dòng điện trên hình

vẽ, có thể xác định chiều

của các đường cảm ứng từ

theo quy tắc gọi là Quy tắc

nắm tay phải: “Giơ ngón

cái của bàn tay phải và

hướng theo chiều dòng

điện, bốn ngón tay kia nằm

trên dây dẫn thì chiều từ

cổ tay đến các ngón tay đó

là chiều của các đường

sức từ”.

+Dòng điện tròn (loop current): Dòng điện chạy trong khung dây tròn gọi là

dòng điện tròn Cho vòng dây của khung nằm trong mặt phẳng thẳng đứng xuyên qua tờbìa đặt trong mặt phẳng nằm ngang, và chứa tâm dòng điện Dùng phương pháp rắc mạcsắt thu được từ phổ của dòng điện tròn

Chiều của các đường sức từ theo quy tắcQuy tắc nắm tay phải: “ Khum bàn tay phải theo vòng dây của khung sao cho chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với

Chiều dòng điện

Chiều của đường cảm ứng từ

Bên trong ống dây các

đường sức từ song song với trục

ống dây và cách đều nhau Bên

ngoài ống dây dạng và phân bố cuả

các đường sức từ giống như nam

châm thẳng Chiều các đường cảm

ứng từ nam châm thử cho biết chiều

của đường sức đi ra từ một đầu và

đi vào đầu bên kia giống như thanh

nam châm thẳng Do đó có thể xem

một ống dây mang dòng điện cũng

có hai cực, phía đầu ống mà đường

cảm ứng từ đi ra gọi là cực Bắc,

phía đầu kia là cực Nam Sử dụng

quy tắc nắm tay phải để xác định

cực của ống dây “Khum bàn tay

phải theo vòng dây của khung sao

cho chiều từ cổ tay đến ngón tay

trùng với chiều dòng điện của

ống dây; ngón tay phải choãi ra

chỉ cực bắc N”.

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/

java/solenoidfield/index.html

1.4 Từ trường đều

Từ trường đều là từ trường có các đường

sức song song và cách đều nhau Cuộn Helmholtz

là dụng cụ tạo ra từ trường đều được biết đến đầu

tiên Vào năm 1849 Herman von Helmholtz sáng

chế ra cuộn Helmoholtz, mục đích tạo ra từ trường

đều giữa hai vòng dây khi cho dòng điện đi qua

-Cấu tạo

Cuộn Helmholtz gồm hai vòng tròn dẫn

-điện giống nhau đặt đối xứng quanh trục chung

cách nhau một khoảng đúng bằng hoặc lớn hơn

một chút bán kính của các vòng tròn Mỗi vòng

mang một dòng điện giống nhau chạy cùng chiều

Vùng hình trụ nằm tại tâm đối xứng có kích thước

khoảng 1/5 đường kính của vòng tròn có từ trường

khá đều

-Công thức: Các mũi tên chỉ đường cảm

ứng từ của từ trường Từ trường trong và xung

quanh cuộn Helmholtz: màu đỏ thể hiện từ

trường mạnh: xanh lam thể hiện từ trường yếu

Trên vòng dây chấmđỏchỉ hướng dòng điện đi ra,

chấm xanh chỉ dòng điện đi vào.Từ trường tại điểm chính giữa hai cuộn dây

 ; trong đó R là bán kính các vòng dây, n là số vòng dây trong mỗi cuộn,

I là cường độ dòng điện chạy qua các cuộnolà độ từ thẩm có giá trị cỡ 1,26.10-6Tm/A

-Ứng dụng

Cuộn Helmholtz được ứng dụng để tạo ra những từ trường theo ý muốn, trong thínghiệm điện từ học hay trong các máy móc cần đến từ trường được điều khiển ở độ

chính xác cao, ví dụ như máy chụp cộng hưởng từ (MRI-Magnetic Resonance Imaging).

Hình ảnh dưới là máy chụp cộng hưởng từ thường được trang bị trong các bệnh viện

của kim nam châm nằm cân bằng là phương của vectơ B

Ta quy ước lấy chiều từ cựcnam sang cực Bắc của kim nam châm là chiều củaB

Ta gọi độ lớn củaB

là cảm ứng từ

Véctơ cảm ứng từ tại một điểm có phương tiếp tuyến với đường cảm ứng từ tại điểm đó, có chiều cùng chiều với đường cảm ứng từ và có độ lớn bằng

B l I

F 

1.5.2 Tính chất

Cảm ứng từ B

tại một điểm M

 Tỷ lệ với cường độ dòng điện I gây ra từ trường;

 Phụ thuộc vào dạng hình học của dây dẫn;

 Phụ thuộc vào vị trí điểm M;

 Phụ thuộc vào môi truờng xung quanh

Trong môi trường chân không hoặc không khí

- Dòng điện thẳng dài: Cảm ứng từ

r

I

B2.10 7 ; r là khoảng cách từđiểm khảo sát đến dây dẫn

- Khung dây dẫn hình tròn: Cảm ứng từ tại tâm

R

NI

B2.10 7 ; R Bánkính khung dây tròn; N là số vòng dây

- Ống dây: Cảm ứng từ trong lòng ống dây B4.10 7nI; n là sốvòng dây quấn trên một đơn vị chiều dài

 Vectơ cảm ứng từ do nhiều dòng điện sinh ra bằng tổng các vectơ cảmứng từ do từng dòng điện sinh ra tại điểm ấy

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

-Đây là công thức Am-pe về lực tác dụng của từ trường lên dòng điện.

Lực ΔF  có phương vuông góc với B  và I l  

, có chiều liên hệ với B  và I l  

theo

quy tắc bàn tay trái cũng được dùng để xác định chiều ΔF :

Quy tắc bàn tay trái:

Đặt bàn tay trái sao cho đường

cảm ứng từ xuyên qua lòng bàn tay,

chiều dòng điện đi từ cổ tay đến các

ngón tay, thì chiều của ngón tay cái

thẳng, chiều dài l, không đổi về hướng

và độ lớn, đặt trong từ trường đều B  thì

công thức tính lực từ tác dụng lên đoạn

3 Tương tác giữa hai dòng điện song song (Parallel Wires)

Cho hai dây dẫn song song dài vô hạn cách nhau khoảng d, có dòng điện I1, I2điqua Vì mỗi dây dẫn nằm trong từ trường của dòng điện còn lại nên nó chịu tác dụng củalực từ Hai dòng điện tương tác lực từ lên lẫn nhau.Ta tính lực tác dụng của dòng điệnthứ nhất lên dòng điện thứ hai

-“Thiên tài làm cho cái bình dị trở thành cái vĩ đại, kẻ tầm thường làm cho cái đơn giản trở thành cái phức tạp”

Cảm ứng từ của dòng điện thứ nhất gây ra

ở điểm M đặt dòng điện thứ hai có giá trị

1 , có phương vuông góc với mặt

phẳng chứa hai dòng điện, có chiều theo quy tắc

nắm tay phải Biểu thức d

I 2π

μ

1  cho thấy

cảm ứng từ tại vị trí dây dẫn mang dòng điện I2

có độ lớn không đổi Ngoài ra, phương chiều của

từ trường ở dây dẫn thứ hai cũng không đổi Do

đó, có thể xem dòng điện I2giống như đặt trong từ trường đều B1của dòng điện I1

Dòng điện I2đặt trong từ trường của dòng điện I1nên I2chịu tác dụng của lực từ

0 1

F = I l 2

π.d

(2.7.3)

Phương của F 2vuông góc với B 1

và l tức là nằm trong mặt phẳng của hai dòngđiện

Áp dụng quy tắc bàn tay trái suy ra chiều của F 2

hướng về phía I1, tức là đoạndòng điện I2bị hút về phía I1 Nếu I1và I2trái chiều thì đoạn dòng điện I2bị đẩy ra

Tương tự, I2cũng tác dụng lên đoạn l của dòng điện I1

0 2

F = I l 2

π.d

Phương chiều của lực F 1

được xác định tương tự như trên

Như vậy, nếu hai dòng điện I1và I2cùng chiều thì hút nhau còn nếu ngược chiều

thì đẩy nhau, lực tương tác giữa hai dòng điện có độ lớn tính theo công thức

-http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/parallelwires/index.html http://www.youtube.com/watch?v=43AeuDvWc0k&feature=mfu_in_order&list=UL

2.7.3 Định nghĩa đơn vị ampe

Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng dài vô hạn được dùng để định nghĩa đơn

vị cơ bản về điện trong hệ SI, đó là đơn vị của cường độ dòng điện ampe

Nếu trong công thức (2.7.4) lấy I1= I2=I, d=1m, F=2.10-7N, l=1m, thì I=1A.Ampe là cường độ dòng điện của một dòng điện không đổi, khi chạy qua hai dâydẫn thẳng, song song, dài vô hạn, có tiết diện nhỏ không đáng kể, đặt trong chân khôngcách nhau 1m, thì gây trên mỗi mét của mỗi dây dẫn một lực là 2.10-7N

4 Khung dây đặt trong từ trường (current-carrying loop)

4.1 Lực từ tác dụng lên khung dây

Xét một khung dây hình chữ nhật MNPQ có cạnh là a và b và có dòng điện Ichạy qua, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B  vuông góc với cạnh b Giả sử khungcứng, không bị biến dạng Kí hiệu góc giữa vectơ pháp tuyến của khung và vectơ cảmứng từ B 

là

Xét lực từ tác dụng lên cạnh của khung, ta thấy:

- Hai lực tác dụng lên hai cạnh a có phương vuông góc với chúng và với từtrường, các lực này có tác dụng kéo giãn khung;

- Hai lực tác dụng lên hai cạnh b có độ lớn F = BIb, có phương vuông góc vớicạnh b và hướng ngược chiều nhau Chúng tạo thành ngẫu lực có tác dụng quay khungsao cho pháp tuyến dương ncủa khung trùng với hướng của cảm ứng từ B

, tức là mặtphẳng của khung vuông góc với vectơ B

Ngẫu lực này có mômen : M = IBS.sin, với

S = a.b là diện tích mặt khung, α là góc giữa pháp tuyến n và B

-“Thiên tài làm cho cái bình dị trở thành cái vĩ đại, kẻ tầm thường làm cho cái đơn giản trở thành cái phức tạp”

a Đường sức từ song song với mặt phẳng khung dây (Hình b)

Giả sử dòng điện trong khung có chiều

ABCDA Lực từ tác dụng lên các cạnh AB và CD của

khung bằng không và các cạnh đó song song với đường

sức từ

Vì từ trường đều nên các lực từ F AD

và F BC

tác dụng lên các cạnh AD, BC có độ lớn bằng nhau Dùng

quy tắc bàn tay trái, ta thấy F BC hướng ra phía sau còn

AD

F 

hướng ra phía trước mặt phẳng hình vẽ Như vậy

khung chịu tác dụng một ngẫu lực Ngẫu lực này có tác

dụng làm khung quay Mômen ngẫu lực từ tác dụng lên

khung dây có giá trị cực đại M = IBS.

b Đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung dây (Hình c)

Xét khung dây ABCD mang dòng điện cường độ I, đặt trong điện trường đều có

B



vuông góc với mặt phẳng khung dây Giả sử chiều dòng điện và chiều các đường sức

từ như trên hình vẽ Kết quả áp dụng quy tắc bàn tay trái cho thấy các lực từ tác dụng lêncác cạnh của khung có chiều như hình vẽ dưới đây Các lực này không làm quay khung

mà chỉ có tác dụng làm khung bị biến dạng Vị trí của khung dây ở trạng thái này là cân bằng bền Bởi vì nếu khung bị lệch ra khỏi

vị trí này thì sẽ xuất hiện mô men ngẫu lực từ

kéo khung trở về vị trí cũ Bây giờ nếu giữ

nguyên chiều dòng điện và đổi chiều cảm ứng từ

thì mô men ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây

cũng bằng 0 nhưng đó là vị trí cân bằng không

bền Vì khi lệch ra khỏi vị trí này mô men ngẫu

lực từ sẽ kéo khung lệch xa khỏi vị trí này

Từ việc khảo sát khung dây trong từ

-trường, ta thấy mô men ngẫu lực từ có xu hướng đưa khung về vị trí cân bằng bền Ở

vị trí đó vectơ mômen từ M 0  

và S cùng phương, cùng chiều với cảm ứng từ B Đó

cũng là lí do giải thích tại sao các nam châm thử nằm cân bằng theo hướng các đườngsức trong từ trường

c Đường sức từ không nằm trong mặt phẳng khung dây (Hình a)

Ngẫu lực từ có tác dụng làm quay khung dây theo công thức M=IBSsin 

4.2 Ứng dụng của lực từ tác dụng khung dây

4.2.1 Điện kế khung quay

-Cấu tạo: chỉ rõ ở hình vẽ trên, gồm: 1: nam châm; 2: lò xo xoắn; 3:chốt giữ lò

xo; 4: thước chia độ; 5- khung dây; 6: kim chỉ thị.

-Nguyên tắc hoạt động: Khi dòng điện một chiều chạy qua khung dây làm xuất

hiện một mô men ngẫu lực từ làm khung bị quay đi Lúc đó lò xo cũng đồng thời bị xoắnlại tạo ra một mô men cản Khi có sự cân bằng giữa mô men cản và mô men ngẫu lực từthì kim sẽ chỉ một giá trị xác định trên thước đo Vị trí của đầu kim trên thước đo tươngứng với cường độ dòng điện qua cuộn dây hoặc hiệu điện thế giữa hai đầu điện kế Ngoài

ra, các điện kế thực tế có thêm cơ chế để làm tắt nhanh dao động của kim khi cường độdòng điện thay đổi, để cho kim quay nhẹ nhàng theo sự thay đổi của dòng điện mà không

bị rung Một cơ chế giảm dao động được dùng là ứng dụng sự chuyển hóa năng lượngdao động sang nhiệt năng nhờ dòng điện Foucault Cuộn dây được gắn cùng một lõi kimloại nằm trong từ trường của nam châm Mọi dao động của cuộn dây và đĩa sinh ra dòngFoucault trong đĩa Dòng điện này cản trở chuyển động của lõi kim loại, lõi bị nóng lên,tiêu hao năng lượng dao động và dập tắt dao động

Để tạo thành vôn kế hoặc ampe kế, các điện kế được mắc thêm các điện trở phụ.Với vôn kế, các điện trở phụ mắc nối tiếp với khung dây và có giá trị rất lớn Với ampe

kế, các điện trở phụ này gọi là sơn và được mắc song song với khung dây, điện trở cácsơn có giá trị rất nhỏ. Trong thực tế, để giúp đọc kết quả chính xác, một số điện kế kế lắpthêm gương tạo ra ảnh của kim nằm sau thước đo Điều này đảm bảo mắt nhìn thẳng vàothước đo khi đọc kết quả

4.2.2 Động cơ điện một chiều

-Nguyên tắc hoạt động: Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong các thiết

bị điện cơ Nó là một ứng dụng cơ bản của lực từ tác dụng lên dòng điện trong kĩ thuật

Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều dựa vào tác dụng làm quaykhung dây trong từ trường Mô men ngẫu lực từ có tác dụng đưa khung về trạng thái màvec tơ mômen ngẫu lực từ cùng hướng với cảm ứng từ Ở đây, bộ góp điện có tác dụngđổi chiều dòng điện trong khung dây khi từ trường qua khung dây đổi chiều Do đó,chiều quay của khung dây trong từ trường không đổi.

-Mô phỏng nguyên tắc hoạt động của động cơ điện DC:

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/dcmotor/index.html

http://vatlysupham.hnue.edu.vn/java/ph14vn/electricmotor_vn.htm

c Loa điện động (Loudspeaker)

Loa điện động có cấu tạo gồm các bộ phận chính: nam châm tròn và lõi thép,cuộn dây, màng loa, giá đỡ Nam châm tròn và lõi thép tạo ra một khe từ có từ trườngxuyên tâm Cuộn dây được đặt trong khe từ này và gắn với màng loa Màng loa có cácnếp gấp để cả màng loa và cuộn dây có thể chuyển động vào ra dọc khe từ một cách dễ

nam châm

chiều quaykhung dây

vành bán khuyên

-dàng

Tín hiệu âm thanh sau khi biến điệu thành tín hiệu điện được đưa vào cuộn dâycủa loa Đây là tín hiệu điện có chiều thay đổi, do đó lực từ tác dụng lên cuộn dây cũngthay đổi theo Cuộn dây chuyển động vào ra dọc khe từ và kéo theo màng loa cũng daođộng theo Dao động của màng loa làm nén giãn miền không khí xung quanh tạo nên âmthanh Âm thanh phát ra ở loa giống như âm thanh đã biến điệu thành tín hiệu điện đưavào cuộn dây.

6 Lực Lorentz

6.1 Lực Lorentz

Lực từ có tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện Dòng điện là dòng chuyển dời

có hướng của các điện tích tự do bên trong nó Vậy các điện tích tự do có chịu tác dụngcủa từ trường không? Nếu có thì phương của lực này tính như thế nào?

Thực nghiệm đã chứng minh các điện tích chuyển động chịu tác dụng lực của từtrường Chẳng hạn, sử dụng thí nghiệm có sơ đồ như hình vẽ có thể chứng minh được sựtồn tại lực từ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động

Khi cho dòng điện qua vòng dây Hem-hôn và sợi dây đốt ở bên trong bình thủytinh, trong bình xuất hiện một vòng tròn sáng màu xanh nằm trong mặt phẳng vuông gócvới đường sức từ của vòng dây Hem-hôn Hiện tượng được giải thích như sau:

Do bị đốt nóng, sợi dây đốt phát xạ nhiệt các electron Các electron này chuyểnđộng và va chạm với các phân tử khí trong bình Khi va chạm, các electron iôn hóa cácphân tử khí và làm phát quang Vậy vòng tròn sáng trong bình cho biết quỹ đạo của electron trong từ trường Electron không chuyển động thẳng mà chuyển động trònchứng tỏ từ trường tác dụng lực lên electron

-“Thiên tài làm cho cái bình dị trở thành cái vĩ đại, kẻ tầm thường làm cho cái đơn giản trở thành cái phức tạp”

Biểu thức của lực này được nhà bác học Lorentz xác định từ thực nghiệm nên

được gọi là lực Lorentz Vậy, hạt mang điện chuyển động trong từ trường chịu tác dụng của lực gọi là lực Lorentz, xác định bởi công thức

f =q v.B    

  

Trong đó, q là điện tích của hạt, v  là vận tốc của hạt, B  là cảm ứng từ

 Từ công thức lực Lo-ren-xơ, độ lớn của lực là

vớilà góc hợp bởi v  và B 

 Phương của lực Lo-ren-xơ xác định bằng thực nghiệm có phương vuônggóc với mặt phẳng chứa vectơ vận tốc của hạt mang điện và vectơ cảm ứng từ tại điểmkhảo sát

 Chiều của lực Lorentz được xác định theo quy tắc bàn tay trái : “Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều

từ cổ tay đến ngón tay cái choãi ra 90 0 chỉ chiều của lực Lorentz nếu hạt mang điện dương (q> 0) và chỉ chiều ngược lại nếu hạt mang điện âm”.

Trong trường hợp q> 0 quy tắc này trùng với quy tắc bàn tay trái xác định lực từtác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện Và thực chất quy tắc này cũng có thể hiểu làquy tắc bàn tay trái với chú ý chiều dòng điện theo quy ước là chiều chuyển động của

điện tích dương

Có thể tìm được biểu thức của lực Lorentz dựa vào công thức Am-pe

Xét lực tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng dài l, có cường độ dòng điện I chạyqua Theo công thức Am-pe, lực này có biểu thức Δf =I Δl.B       

Trong đó

0

I Δl=S.Δl.i =S.Δl.n q.v    với  i

là vec tơ mật độ dòng điện, S là tiết diện vật dẫn, n0

là mật độ hạt mang điện tự do trong vật dẫn, v là vận tốc của chuyển động của các hạtmang điện tích dương (nếu hạt mang điện tích âm thì hướng ngược lại), q là điện tích củahạt

Lực tác dụng viết lại Δf = S.Δl.n q v.B  0      

, với S.Δl= V là thể tích đoạn dâydẫn Mặt khác, N= S.Δl.n0là số hạt mang điện tự dòng điện trong đoạn dây dẫn đó Vìđoạn dây dẫn ta xét rất nhỏ nên các hạt mang điện trong đoạn dây dẫn là hoàn toàn tươngđương nhau Từ đó, lực từ tác dụng lên một hạt mang điện có điện tích q chuyển động

-với v trong từ trường có cảm ứng từ B  là :

  v B q N

f Δ

Lưu ý rằng, trên đây chỉ là mô hình để từ công thức Am-pe dẫn đến công thức lựcLorentz, còn lực Lorentz áp dụng được với từng điện tích riêng lẻ chuyển động trong từtrường Ngay cả khi trong vật dẫn không có dòng điện thì những hạt mang điện trong vậtdẫn chuyển động nhiệt hỗn loạn vẫn có lực Lorentz tác dụng lên chúng Thế nhưng dochuyển động nhiệt không ưu tiên theo hướng nào nên lực tác dụng lên từng điện tíchriêng biệt cũng không có phương ưu tiên Kết quả là lực tác dụng tổng hợp lên vật dẫncũng bằng không

6.2 Ứng dụng lực Lorentz

Lực Lorentz có nhiều ứng dụng trong thực tiễn kỹ thuật, từ các ứng ứng dụng phổthông như đèn CRT đến các ứng dụng trong các cỗ máy hiện đại như máy gia tốcxiclôtrôn

6.2.1 Hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều

Các ứng dụng của lực Lorentz đều liên quan mật thiết đến bài toán chuyển độngcủa điện tích trong từ trường

Xét một hạt khối lượng m mang điện tích q>0, có vận tốc ban đầu là v đi vàokhoảng không gian có từ trường đều với cảm ứng từ B  ; bỏ qua tác dụng của trọng lực(vì khối lượng của hạt m rất nhỏ) Theo định luật II Niutơn và công thức định luật lựcLo-ren-xơ, phương trình chuyển động của hạt có dạng:

  v B q

từ trường đều thì chỉ bị thay đổi hướng của vận tốc mà không tăng tốc hạt Điều này khácvới điện tích chuyển động trong điện trường đều thì có thể tăng tốc

a Trường hợp vận tốc v vuông góc với B 

Lực Lorentz có phương chiều như hình vẽ và có

độ lớn F = qBv Vì lực Lorentz vuông góc với phương

chuyển động nên nó đóng vai trò lực hướng tâm Dưới tác

dụng của lực đó hạt chuyển động tròn đều theo một

đường tròn bán kính r, và phương trình (2.8.3) có dạng:

qvB r

mv2

Từ đó, bán kính r của quỹ đạo chuyển động của

hạt