Giải Bài tập Vật lý 11 Cơ bản - Chường 6

Phương của lực từ Lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dòng điện và vectocảm ứng từ tại điểm đặt đoạn dòng điện đó.. Quy tắc bàn tay trái: Đ

Bài 32: TƯƠNG TÁC TỪ - TỪ TRƯỜNG

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Tương tác từ

a) Tương tác giữa nam châm và nam châm

Hai cực cùng tên của nam châm đẩy nhau, hai cực khác tên hút nhau

Lực mà các nam châm tác dụng lên nhau gọi là lực từ

b) Tương tác giữa nam châm và dòng điện

Thí nghiệm cho thấy dòng điện qua dây dẫn làm lệch kim nam châm đặt gần nó

Vậy dòng điện tác dụng lực từ lên nam châm

c) Tương tác giữa dòng điện và dòng điện

Hai dây dẫn song song mang hai dòng điện ngược chiều thì đẩy nhau

Hai dây dẫn song song mang hai dòng điện cùng chiều thì hút nhau

d) Tương tác từ

Tương tác giữa nam châm với nam châm, giữa dòng điện với nam châm, giữa dòng điện với dòng điệngọi là tương tác từ

2 Từ trường

Qua thí nghiệm ta thấy xung quanh nam châm hay dòng điện có từ trường

Vì dòng điện do các điện tích chuyển động tạo thành nên suy ra xung quanh điện tích chuyển động có

+ Thí nghiệm Erted chứng tỏ dòng điện cũng gây ra lực từ lên nam châm

+ Thí nghiệm chứng tỏ các hiện tượng điện và từ có liên quan nhau

Đặc tính cơ bản của từ trường là nó gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm thử đặt trong nó

Muốn biết nơi nào có từ trường hay không ta đưa nam châm thử vào nơi đó, nếu nam châm thử khôngnằm theo hướng Bắc – Nam chứng tỏ nơi đó có từ trường

Bài 33: VECTO CẢM ỨNG TỪ - ĐƯỜNG SỨC TỪ

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Vecto cảm ứng từ

Vecto cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực từ Ký hiệu là

Phương của nam châm thử nằm cân bằng tại một điểm là phương của vecto tại điểm đó

Ta quy ước chiều từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm là chiều của vecto

Độ lớn của gọi là cảm ứng từ Đối với cảm ứng từ: nếu một đoạn dòng điện đặt tại hai điểm khácnhau trong từ trường Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện nào lớn hơn thì cảm ứng từ tại điểm đó lớnhơn

c) Tính chất của đường sức từ

Các đường sức từ có một số tính chất sau:

+ Tại mỗi điểm trong từ trường ta chỉ có thể vẽ một và chỉ một đường sức từ đi qua điểm đó

+ Các đường sức từ là những đường cong kín Nếu là nam châm thì các đường sức từ đi ra từ cực Bắc

và đi vào ở cực Nam

+ Tại mỗi điểm trong từ trường ta chỉ có thể vẽ một và chỉ một đường sức từ đi qua điểm đó

+ Các đường sức từ là những đường cong kín Nếu là nam châm thì các đường sức từ đi ra từ cực Bắc

và đi vào ở cực Nam

+ Các đường sức từ không cắt nhau

+ Mật độ các đường sức từ càng dày thì cảm ứng từ ở nơi đó lớn hơn, nơi nào các đường sức từ thưahơn thì cảm ứng từ nơi đó nhỏ hơn

3 Từ trường đều

Từ trường đều là từ trường mà vecto cảm ứng bằng nhau tại mọi điểm

Đường sức từ của từ trường đều là những đường thẳng song song và cách đều nhau

B BÀI TẬP

1 Vecto cảm ứng từ là gì ? Nói rõ phương và chiều của vecto cảm ứng từ.

Hướng dẫn

Vecto cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực từ Ký hiệu là

Phương của nam châm thử nằm cân bằng tại một điểm là phương của vecto tại điểm đó

Ta quy ước chiều từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm là chiều của vecto

2 Đường sức từ là gì ?

Hướng dẫn

Đường sức từ là đường cong có hướng, được vẽ trong từ trường, sao cho vecto cảm ứng từ tại bất cứđiểm nào trên đường cong cũng có phương tiếp tuyến với đường cong và có chiều trùng với chiều củađường cong đó

3 Nêu quy tắc vẽ các đường sức từ.

Hướng dẫn

Quy tắc vẽ các đường sức từ:

+ Tại mỗi điểm trong từ trường ta chỉ có thể vẽ một và chỉ một đường sức từ đi qua điểm đó

+ Các đường sức từ là những đường cong kín Nếu là nam châm thì các đường sức từ đi ra từ cực Bắc

và đi vào ở cực Nam

+ Các đường sức từ không cắt nhau

+ Mật độ các đường sức từ càng dày thì cảm ứng từ ỏ nơi đó lớn hơn, nơi nào các đường sức từ thưahơn thì cảm ứng từ nơi đó nhỏ hơn

4 Từ trường đều là gì ? Có thể nói gì về các đường sức từ của từ trường đều.

Hướng dẫn

Từ trường đều là từ trường mà vecto cảm ứng bằng nhau tại mỗi điểm

Khi vẽ các đường sức từ của từ trường đều cần phải vẽ các đường song song cách đều nhau

Bài 34: PHƯƠNG VÀ CHIỀU CỦA LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Phương của lực từ

Lực từ tác dụng lên một đoạn dòng điện có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dòng điện và vectocảm ứng từ tại điểm đặt đoạn dòng điện đó

1, 2: hai cực Bắc, Nam của nam châm điện hình chữ U

3: cuộn dây của nam châm điện

4: lực kế

5: sợi dây mềm

ABCD: khung dây (trong hình không vẽ dây nối để đưa

dòng điện vào khung)

2 Chiều của lực từ

Chiều của lực từ tuân theo quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tayđến ngón tay trùng với chiều dòng điện thì ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực từ tác dụng lên đoạndòng điện

B BÀI TẬP

1 Trong thí nghiệm về lực từ ở phần 1 chiều của lực từ thay đổi như thế nào nếu:

a) Đổi chiều dòng điện trong thanh AB

b) Quay nam châm để đổi chiều đường sức từ

c) Đồng thời vừa đổi chiều của dòng điện trong nam châm AB vừa quay nam châm để đổi chiều đườngsức từ ?

2 lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện có phương vừa vuông góc với đoạn dòng điện vừa vuông góc với

đường sức từ đi qua điểm khảo sát Nói thế đúng hay sai ?

Hướng dẫn

Nói như vậy là đúng

3 Hình vẽ cho biết đoạn dây dẫn AB và lực từ tác dụng lên đoạn dây đó đều nằm trong mặt phẳng hình

vẽ Chiều của lực từ và chiều của dòng điện đã được chỉ rõ trong hình đó Từ đó suy ra:

A Đường sức từ nằm trong mặt phẳng hình vẽ có chiều từ trái sang phải

B Đường sức từ nằm trong mặt phẳng hình vẽ có chiều từ phải sang trái

C Đường sức từ nằm trong mặt phẳng vẽ có và hướng từ trước ra sau

D Đường sức từ nằm trong mặt phẳng hình vẽ có hướng từ sau ra trước

Đáp án: D (Áp dụng quy tắc bàn tay trái)

Bài 35: CẢM ỨNG TỪ - ĐỊNH LUẬT AMPÈRE

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Cảm ứng từ

Cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực, được đo bằng thương số giữa lực

từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có độ dài đủ nhỏ mang dòng điện đặt vuông góc với đường cảm ứng

từ tại điểm khảo sát và tích của cường độ dòng điện với độ dài đoạn dây dẫn đó

Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ là tesla, ký hiệu T

2 Định luật Ampère

Dòng điện cường độ I chạy trong đoạn dây chiều dài l đặt trong từ trường đều, thì độ lớn của lực từ tácdụng lên đoạn dòng điện đó được xác định bằng công thức:

- Với là góc hợp bởi đoạn dòng điện và vecto cảm ứng từ

- Điểm đặt của lực từ: tại trung điểm đoạn dây

- Phương và chiều: tuântheo quy tắc bàn tay trái

3 Lực từ tác dụng giữa hai dây dẫn thẳng song song

Lực tác dụng lên mỗi mét chiều dài của hai dây dẫn thẳng song song, mang dòng điện:

Trong đó là góc hợp bởi đoạn dòng điện và vecto cảm ứng từ

2 Hai đoạn dòng điện MN, PQ được đặt trong từ trường đều như hình vẽ Hỏi lực từ tác dụng lên các

1 Một đoạn dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường đều và song song với vecto cảm ứng từ Hỏi lực

từ tác dụng lên đoạn dây đó có phụ thuộc vào chiều dài của đoạn dây và cường độ dòng điện trongđoạn dây không ? Giải thích vì sao ?

Hướng dẫn

Lực từ tác dụng lên đoạn dây đó không phụ thuộc vào chiều dài của đoạn dây và cường độ dòng điệntrong đoạn dây, vì dòng điện song song với vecto cảm ứng từ nên suy ra F = 0

2 Một đoạn dây dẫn dài 5 cm đặt trong từ trường đều và vuông góc với vecto cảm ứng từ Dòng điện

qua dây có cường độ 0,75 A Lực từ tác dụng lên đoạn dây đó là 3.10-3 N Xác định cảm ứng từ của từtrường

Hướng dẫn

Lực từ tác dụng lên đoạn dây:

Vì đoạn dây vuông góc với vecto cảm ứng từ nên

Cảm ứng từ của từ trường:

3 Đoạn dòng điện MN đặt trong từ trường đều như hình Đoạn dòng điện và các đường sức từ đều

nằm trong mặt phẳng hình vẽ Cảm ứng từ bằng 0,5 T; MN dài 6 cm và cường độ dòng điện qua MNbằng 5 A Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện bằng 0,045 N

a) Hỏi phương và chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện ?

b) Tính góc hợp bởi dòng điện và vecto cảm ứng từ

Hướng dẫn

a) Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta có:

Lực từ có chiều hướng vào mặt phẳng hình vẽ

b) Theo định luật Ampère ta có:

4 Phần tử dòng điện nằm trong từ trường đều có các đường sức từ thẳng đứng Phải đặt như thế

nào để cho lực điện từ:

a) nằm ngang ?

b) bằng không ?

Hướng dẫn

a) Đặt theo phương không song song với các đường sức từ

b) Đặt theo phương song song với các đường sức từ

5 Phần tử dòng điện được treo nằm ngang trong một từ trường đều Hướng và độ lớn của cảm ứng

từ phải như thế nào để lực điện từ cân bằng với trọng lực của phần tử dòng điện ?

7 Trong một từ trường đều có thẳng đứng, cho một dòng các ion bắt đầu đi vào từ điểm A và đi ra

tại C, sao cho AC là 1/2 đường tròn trong mặt phẳng ngang Các ion có điện tích, cùng vận tốc đầu.Cho biết khoảng cách AC đối với ion C2H5O+ là 22,5 cm, xác định khoảng cách AC đối với các ion

C2H5OH+; C2H5 ; OH+; CH2OH+; CH3 ; CH2

Hướng dẫn

- Khoảng cách AC là đường kính quỹ đạo tròn: AC = 2R

- Từ thấy rằng với q0, v và B không đổi thì R tỉ lệ thuận với khối lượng của ion tức là tỉ lệthuận với phân tử gam của ion

Bài 36 : TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT SỐ DÒNG ĐIỆN CÓ DẠNG ĐƠN GIẢN

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Từ trường của dòng điện thẳng

Từ trường của dòng điện có dạng đường thẳng là những đường tròn đồng tâm, tâm của các đường tròn

là giao điểm của dòng điện và miếng bìa

Chiều của dòng điện và chiều của đường sức từ liên hệ với nhau theo quy tắc đinh ốc 1

Quy tắc đinh ốc 1 :

Đặt cái đinh ốc dọc theo dây dẫn Quay cái đinh ốc sao cho nó tiến theo chiều dòng điện thì chiều quaycủa cái đinh ốc là chiều của các đường sức từ

Độ lớn:

r : khoảng cách từ điểm khảo sát đến dòng điện (m)

I : cường độ dòng điện (A)

B: cảm ứng từ (T)

2 Từ trường của dòng điện tròn

Đường cảm ứng từ của dòng điện tròn là những đường cong, đường cảm ứng từ qua tâm O là đườngthẳng

Chiều của đường cảm ứng từ được xác định theo quy tắc đinh ốc 2 :

Đặt đinh ốc dọc theo trục của khung, quay đinh ốc theo chiều dòng điện trong khung, thì chiều tiến củađinh ốc là chiều của các đường sức xuyên qua mặt phẳng dòng điên

Độ lớn :

R : bán kính khung dây

3 Từ trường của dòng điện trong ống dây

Đường cảm ứng từ của từ trường trong ống dây:

+ Bên trong ống: các đường cảm ứng từ là những đường song song cách đều nhau

+ Bên ngoài ống: giống với đường cảm ứng từ của nam châm thẳng, đi ra ở cực Bắc, đi vào ở cựcNam.

Chiều của đường cảm ứng từ và chiều dòng điện được xác định theo quy tắc đinh ốc 2

Qua M ta chỉ có thể vẽ được một đường sức mà thôi

2 Phát biểu quy tắc đinh ốc 1.

Cảm ứng từ tại một điểm cách dây dẫn 10 cm:

2 Tại tâm của một dòng điện tròn cường độ I = 5 A người ta đo được cảm ứng từ B = 31,4.10-6 (T).Hỏi đường kính của dòng điện đó ?

Hướng dẫn

Đường kính của dòng điện tròn:

3 Một ống dây dài 50 cm có dòng điện cường độ I = 2 A chạy qua Tính cảm ứng từ bên trong ống.

Cho biết ống dây có 500 vòng

Vậy cảm ứng từ bên trong ống dây 2 lớn hơn

5 Hai dòng điện đồng phẳng: dòng thứ nhất thẳng dài, I1 = 2 A; dòng thứ hai hình tròn, tâm O2 cáchdòng thứ nhất 40 cm, bán kính R2 = 20 cm, I2 = 2 A Xác định cảm ứng từ tại O2

Bài 37: LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN KHUNG DÂY CÓ DÒNG ĐIỆN

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Trường hợp mặt phẳng khung dây song song với đường cảm ứng từ

Khi cho khung dây hình chữ nhật ABCD có thể quay quanh trục thẳng đứng OO’ đặt trong từ trườngđều, mặt phẳng khung dây song song với đường cảm ứng từ

Cho dòng điện chạy qua khung, ta thấy khung quay

Áp dụng quy tắc bàn tay trái, ta thấy lực từ tác dụng lên AB và CD bằng không, lực từ tác dụng lên AD

và BC có chiều như hình vẽ Hai lực này làm khung quay

Hai lực tạo thành ngẫu lực làm khung quay

Nếu ta đổi chiều dòng điện thì khung quay theo chiều ngược lại

2 Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện

Ta có công thức momen ngẫu lực của khung: M = IBS

Trong đó: S: diện tích phần mặt phẳng giới hạn bởi khung dây

B BÀI TẬP

B.1 Câu hỏi

1 Giải thích vì sao lực từ đặt lên khung dây dẫn cứng đặt trong từ trường có tác dụng làm quay khung.

Hướng dẫn

Giả sử khung dây và các đường sức từ nằm trong mặt phẳng hình vẽ Lực từ tác dụng lên các cạnh BC

và AD bằng không Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta tìm được lực từ tác dụng lên các cạnh AB và CD cóchiều như hình Hai lực này hợp thành ngẫu lực, khiến khung quay

2 Viết biểu thức momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây khi các đường sức từ nằm trong mặt

a) Cạnh AB của khung vuông góc còn cạnh BC song song với đường sức từ

b) Cạnh BC của khung vuông góc còn cạnh AB song song với đường sức từ

2 Một khung dây cứng có kích thước 2 cm x 3 cm đặt trong từ trường đều Khung dây gồm 200 vòng.

Cho dòng điện cường độ 2 mA đi vào khung dây Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung có giá trị lớnnhất bằng 24.10-9 Nm Hỏi cảm ứng từ ?

Hướng dẫn

Dòng điện trong khung: I = 200.0,002 = 0,4 (A)

Diện tích của khung: S = 2.3.10-4 = 6.10-4 (m2)

Cảm ứng từ qua khung:

+ Phương và chiều của lực Lorentz:

Lực Lorentz có phương vuông góc với mặt phẳng chứa vecto vận tốc của hạt mang điện và vecto cảmứng từ tại điểm khảo sát

+ Chiều của lực Lorentz:

Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón taytrùng với chiều chuyển động của điện tích dương thì ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều lực Lorentz tácdụng lên điện tích đó

Nếu điện tích là điện tích âm thì chiều của lực Lorentz ngược với hướng chỉ của ngón cái

Chiều quay của lực Loren tác dụng lên hạt mang

điện dương

Chiều quay của lực Loren tác dụng lên hạt mang

điện âm

+ Độ lớn của lực Lorentz:

Nếu vecto vận tốc của hạt hợp với vecto cảm ứng từ một góc thì độ lớn của lực Lorentz:

Trong đó q là giá trị tuyệt đối của điện tích của hạt

Phương của lực Lorentz :

A Trùng với phương của vecto cảm ứng từ

B Trùng với phương của vecto cảm ứng từ và với vecto vận tốc của hạt

C Vuông góc với đường sức từ

D Vuông góc với đường sức từ và với vecto vận tốc của hạt

Đáp án : D

3 Hãy nói quy tắc xác định chiều của lực Lorentz.

Hướng dẫn

Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón taytrùng với chiều chuyển động của điện tích dương thì ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều lực Lorentz tácdụng lên điện tích đó.

Nếu điện tích là điện tích âm thì chiều của lực Lorentz ngược với hướng chỉ của ngón cái

4 Viết biểu thức tính độ lớn lực Lorentz.

Hướng dẫn

Độ lớn lực Lorentz :

Với q là giá trị tuyệt đối của điện tích hạt

B.2 Bài tập

1 Một electron bay vào trong từ trường đều vuông góc với vecto vận tốc ban đầu

a) Xem nằm trong mặt phẳng tờ giấy, vuông góc với mặt phẳng tờ giấy Hãy vẽ vecto lựcLorentz tác dụng lên electron

b) Tính độ lớn của nếu v0 = 2.105 m/s và B = 0,2 T

c) So sánh giá trị lực f tính được với trọng lượng của electron Nhận xét

Biết khối lượng của electron là 9,1.10-31 kg

Hướng dẫn

Độ lớn lực Lorentz :

Bài 39 : MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA LỰC TỪ

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Điện kế khung quay

a) Cấu tạo

Điện kế khung quay có cấu tạo như hình bên Nó gồm:

+ Một nam châm mạnh hình móng ngựa

+ Một lõi sắt hình trụ tròn giữa hai cực nam châm

+ Khung dây hình chữ nhật, có hai cạnh nằm trong khe hẹp giữa hai cực của nam châm và lõi sắt.+ Hai lò xo giữ cho khung ở vị trí xác định

1: Nam châm mạnh hình móng ngựa

2: Lõi sắt hình trụ

3: Khung dây

4 Lò xo

b) Hoạt động

Khi cho dòng điện vào khung, ngẫu lực từ sẽ làm khung quay lệch khỏi vị trí cân bằng

Lúc đó các lò xo sẽ sinh ra momen cản Đến khi momen cản cân bằng với momen lực từ thì khungquay ngừng lại Lúc này ta chứng minh được rằng góc lệch ra khỏi vị trí ban đầu tỉ lệ với cường độdòng điện chạy trong khung

Để biến điện kế thành ampe kế hay vôn kế người ta mắc thêm shunt hay điện trở phụ

2 Sự lái tia điện tử

Khi một electron được phóng ra từ sợi dây diot (súng điện tử) trong ống phóng điện tử Bình thườngelectron sẽ bay theo đường thẳng và đến đập vào màn hình tại M

Tuy nhiên do trên đường đi, các electron chịu tác dụng của từ trường tạo bởi hai ống dây nằm ngangnên quỹ đạo của electron lệch đi, bay đến điểm N

Ngoài ra người ta còn lắp thêm hai ống dây thẳng đứng sinh ra từ trường thẳng đứng Do đó electron

có thể bị lái theo phương ngang

Tóm lại dưới tác dụng của từ trường ngang và từ trường đứng tia điện tử quét toàn màn hình

1: dây đốt

2: màn chắn có lỗ nhỏ để electron có thể đi qua

3; 3’: hai ống dây nằm ngang