Chủ đề 16 ôn tập về từ trường và cảm ứng từ image marked image marked

Từ trường là không gian xung quanh thanh nam châm hay xung quanh dòng điện,… Gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện khác đặt trong nó.. Cách vẽ tuân theo qui tắc nắm

CHỦ ĐỀ 16: ÔN TẬP VỀ TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG TỪ

VẤN ĐỀ 1: TỪ TRƯỜNG.

1 Từ trường là không gian xung quanh thanh nam châm hay xung quanh dòng điện,… Gây ra lực từ tác

dụng lên một nam châm hay một dòng điện khác đặt trong nó

Quy ước hướng của từ trường là hướng Nam – Bắc của kim nam châm cân bằng tại điểm đó

Đặt mua file Word tại link sau:

https://tailieudoc.vn/chuyendely3khoi

2 Đường sức từ là đường được vẽ sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kì điểm

nào trên đường cũng trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó

- Tính chất:

+) Tại mỗi điểm trong từ trường chỉ vẽ được một đường sức từ

+) Các đường sức từ là các đường cong khép kín, vô hạn ở hai đầu và không

cắt nhau

+) Chiều của đường sức từ tuân theo quy tắc xác định (quy tắc nắm tay phải,

quy tắc vặn đinh ốc,…) Trong trường hợp nam châm, các đường sức từ đi ra từ

cực Bắc, đi vào ở cực Nam của nam châm

+) Nơi nào cảm ứng từ lớn hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ mau hơn (dày

hơn), nơi nào cảm ứng từ nhỏ hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ thưa hơn

3 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

4 Từ trường của trái đất gây bởi một thanh nam châm khổng lồ nằm trong

lòng trái đất, hay đầu nam châm này hướng về hai địa cực từ của trái đất Góc

tạo bởi trục quay của Trái đất và nam châm khổng lồ đó bằng 11°

DẠNG 1: CẢM ỨNG TỪ.

1.1: Từ trường của các dòng điện đặc biệt.

1 Từ trường của dòng điện thẳng dài vô hạn.

r





Trong đó: B M T là từ trường tại điểm M

là khoảng cách từ sợi dây đến điểm M

Cách vẽ tuân theo qui tắc nắm tay phải: “Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và Bchỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón tay kia khum lại cho ta chiều của các đường sức từ”.

2 Từ trường của dòng điện tròn.

7

2 10

O

I B

R

 



Trong đó: B T O  là từ trường tại tâm O của vòng dây

I (A) là cường độ dòng điện chạy trong vòng dây

R (m) là bán kính của vòng dây

Cách vẽ phải tuân theo qui tắc nắm tay phải: “Để bàn tay phải sao B

cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi

đó các ngón kia khum lại cho ta chiều của cảm ứng từ.”

3 Từ trường của ống dây.

I (A) là cường độ dòng điện qua ống dây

Chú ý: Để đơn giản trong quá trình làm bài tập và biểu diễn vécto người ta quy ước như sau:

⊕ : Có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi vào

⊙ : Có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi ra

Ví dụ 1: Một dây dẫn thẳng dài vô hạn, dòng điện chạy trong dây có cường độ I = 10 A.

1 Hãy xác định độ lớn cảm ứng từ do dòng điện trên gây ra tại:

Ví dụ 2: Một khung dây có N vòng dây như nhau dạng hình tròn có bán kính 5 cm Cho dòng điện có

cường độ I = 5 A chạy qua khung dây Hãy xác định vecto cảm ứng từ tại tâm của khung dây nếu:

a) Khung dây có 1 vòng dây (N = 1)

b) Khung dây có 10 vòng dây (N = 10)

Ví dụ 4: Dùng một dây đồng có đường kính d = 0,8 mm có một lớp sơn cách điện mỏng, quấn quanh một

hình trụ có đường kính D = 2 cm, chiều dài 40 cm để làm một ống dây, các vòng dây quấn sát nhau Muốn

từ trường có cảm ứng từ bên trong ống dây bằng 2 10 T   3 thì phải đặt vào ống dây một hiệu điện thế là bao nhiêu Biết điện trở suất của đồng bằng 1,76.108m

Lời giải:

Gọi N là số vòng dây phải quấn trên ống dây Đường kính của dây quấn chính là bề dày một vòng quấn,

để quấn hết chiều dài ống dây thì phải cần N vòng quấn nên:

Chiều dài mỗi vòng quấn là chiều dài chu vi vòng tròn: C2 r D

Chiều dài dây quấn: L N C N D.

Thay vào (*) ta được: D2 4 2 1,1

Hiệu điện thế ở hai đầu ống dây: U IR4, 4 V

Ví dụ 5: Một ống dây có chiều dài 20 cm, gồm 500 vòng dây, cho cường độ dòng điện I = 5A chạy trong

ống dây

a) Hãy xác định độ lớn cảm ứng từ bên trong ống dây?

b) Nếu đồng thời tăng chiều dài ống dây, số vòng dây và cường độ dòng điện lên 2 lần thì cảm ứng từ bên trong ống dây lúc này có độ lớn là bao nhiêu?

c) Cần phải dùng dòng điện có cường độ bao nhiêu để cảm ứng từ bên trong ống dây giảm đi một nửa so với câu a

Ví dụ 6: Một dây đồng có đường kính d = 0,8 mm có phủ sơn cách điện mỏng quấn quanh một hình trụ

đường kính D = 5 cm để tạo thành một ống dây Khi nối ống dây với nguồn  4V , r0,5 thì cảm ứng

từ trong lòng ống dây là B5 10  4T Tìm cường độ dòng điện trong ống và chiều dài ống dây, biết điện trở suất của dây quấn là 1,76.10 8.m

4

99,961,76.10

d R

 

Chiều dài ống dây: L N 0,51 m.

b) Cảm ứng từ tổng hợp tại một điểm bằng không.

Bước 1: Tính B B1, 2, do I I1, 2 gây ra tại M

Ví dụ 7: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, cách nhau 20 cm trong không khí, có hai dòng điện

ngược chiều, có cường độ I112A; I2 15A chạy qua Xác định cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây ra tại điểm M cách dây dẫn mang dòng 15 cm và cách dây dẫn mang dòng 5 cm.I1 I2

Ví dụ 8: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, cách nhau 10 cm trong không khí, có hai dòng điện

ngược chiều, có cường độ I1 6A;I2 12A chạy qua Xác định cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây ra tại điểm M cách dây dẫn mang dòng 5 cm và cách dây dẫn mang dòng 15 cm.I1 I2

Ví dụ 9: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, cách nhau 10 cm trong không khí, có hai dòng điện cùng

chiều, có cường độ I1 9A ; I2 16A chạy qua Xác định cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây

ra tại điểm M cách dây dẫn mang dòng 6 cm và cách dây dẫn mang dòng 8 cm.I1 I2

Ví dụ 10: Ba dòng điện cùng cường độ 5 A chạy trong ba dây dẫn

thẳng, song song, có chiều như hình vẽ Biết tam giác ABC đều cạnh 10

cm, độ lớn cảm ứng từ tại tâm O của tam giác bằng bao nhiêu?

Ví dụ 11: Một dây dẫn rất dài căng thẳng, ở giữa dây được uốn thành vòng tròn bán kính R = 1,5 cm, tại

chỗ chéo nhau dây dẫn được cách điện Dòng điện chạy trên dây có cường độ 3 A Tính độ lớn cảm ứng từ tại tâm O của vòng tròn trong 2 trường hợp uốn dây như sau:

Lời giải:

a) Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải xác định được chiều cảm ứng từ do hai dòng điện gây ra tại tâm O

có chiều hướng ra ngoài mặt phẳng hình vẽ nên B O B1B2

Ta có độ lớn cảm ứng từ do dòng điện thẳng gây ra tại O là 7

Ví dụ 12: Hai dây dẫn thẳng dài vô hạn, đặt song song trong không khí cách nhau một đoạn d = 12 cm có

các dòng điện cùng chiều I1 I2  I 10 A chạy qua Một điểm M cách đều hai dây dẫn một đoạn x

a) Khi x = 10 cm Tính độ lớn cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện chạy trong hai dây dẫn gây ra tại điểm M

b) Hãy xác định x để độ lớn cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện gây ra đạt giá trị cực đại Tính giá trị cực đại đó

2 2

Ví dụ 13: Hai dây dẫn thằng dài vô hạn, đặt song song trong không khí cách nhau một đoạn d = 2a có các

dòng điện ngược chiều cùng cường độ I1I2 I chạy qua

a) Xác định cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây ra tại điểm M cách đều hai dây dẫn một đoạn x.b) Hãy xác định x để độ lớn cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện gây ra đạt giá trị cực đại Tính giá trị cực đại đó

Ví dụ 14: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, cách nhau 15 cm trong không khí, có hai dòng điện

cùng chiều, có cường độ I110A , I2 5A chạy qua Xác định điểm M mà tại đó cảm ứng từ tổng hợp do hai dòng điện này gây ra bằng 0

Lời giải:

Giả sử hai dây dẫn được đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ Để cảm ứng từ tổng hợp tại M bằng 0 thì

tức là và phải cùng phương, ngược chiều và bằng nhau về độ lớn

Để thỏa mãn các điều kiện đó thì M phải nằm trên đường thẳng

nối A, B; nằm trong đoạn thẳng AB

Ví dụ 15: Hai dây dẫn thẳng, rất dài, đặt song song, cách nhau 10 cm trong không khí, có hai dòng điện

ngược chiều, có cường độ I120A, I2 10A chạy qua Xác định điểm M mà tại đó cảm ứng từ tổng hợp

do hai dòng điện này gây ra bằng 0

Lời giải:

B B B  B  B

     

Để thỏa mãn điều kiện đó thì M phải nằm trên đường thẳng nối A,

B; nằm ngoài đoạn thẳng AB, gần dây dẫn mang dòng hơn (vì I2

Gọi M là điểm trên Ox có cảm ứng từ tổng hợp bằng 0.

Trong đó: F (N) là lực từ tác dụng lên sợi dây

B (T) là từ trường đều mà dây dẫn đặt vào

I (A) là cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn

(m) là chiều dài dây dẫn

hứng các đường cảm ứng từ sao cho chiều của dòng điện đi từ cổ tay

đến 4 ngón tay Ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều dài của lực từ”

Ví dụ 1: Người ta cho dòng điện có cường độ I = 10 A chạy trong một dây dẫn, đặt dây dẫn vuông góc với

các đường cảm ứng từ có B = 5 mT Lực điện từ tác dụng lên dây dẫn là 0,01 N, hãy xác định chiều dài của dây dẫn nói trên ?

Ví dụ 2: Giữa hai cực nam châm có cảm ứng từ nằm ngang, B = 0,01 T người ta đặt môt dây dẫn có Bchiều dài nằm ngang vuông góc với Khối lượng của một đơn vị chiều dài là d = 0,01 kg/m Tìm  Bcường độ dòng điện I qua dây để dây nằm lơ lững không rơi Cho g 10m s2

Lời giải:

Các lực tác dụng lên sợi dây gồm trọng lực và lực từ P

F



Điều kiện để sợi dây nằm cân bằng là: P F     0 F P

Do đó lực từ phải có chiều hướng lênF

B

Ví dụ 3: Treo đoạn dây dẫn MN có chiều dài 25 cm, khối lượng của một

đơn vị chiều dài là 0,04 kg/m bằng hai dây mảnh, nhẹ sao cho dây dẫn nằm

ngang Biết cảm ứng từ có chiều như hình vẽ, có độ lớn B = 0,04 T Cho

2

10

g  m s

a) Xác định chiều và độ lớn của I để lực căng dây bằng 0

b) Cho I = 16 A có chiều từ M đến N Tính lực căng mỗi dây ?

Do đó lực từ F phải có chiều hướng lên Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta

xác định được chiều của dòng điện có chiều từ N đến M

Ví dụ 4: Treo đoạn dây dẫn có chiều dài 5 cm, khối lượng m = 5 g

bằng hai dây mảnh, nhẹ sao cho dây dẫn nằm ngang Biết cảm ứng từ của từ

trường hướng thẳng xuống dưới, có độ lớn B = 0,5 T và dòng điện đi qua

dây dẫn là I = 2A Nếu lấy g10m s2 thì góc lệch của dây treo so với 

phương thẳng đứng là bao nhiêu?

Lời giải:

Điều kiện cân bằng: T F P            0 T R  0 T R  

Từ hình ta có: tan .sin 90 0,5.2.0,05.sin 90 1 45 45

0,005.10

Ví dụ 5: Hai thanh ray nằm ngang, song song và cách nhau đoạn = 

0,3 cm, một thanh kim loại đặt lên hai thanh ray Cho dòng điện

I = 50 A chạy qua thanh kim loại với thanh ray Biết hệ số ma sát giữa

thanh kim loại với thanh ray là  0, 2 và khối lượng thanh kim loại

m = 0,5 kg Hãy tìm điều kiện về độ lớn của cảm ứng từ B để thanh có

thể chuyển động ( vuông góc với mặt phẳng hai thanh ray).B

Lời giải:

Giả sử cảm ứng từ có chiều từ trên xuống khi đó chiều của lực từ B

được xác định như hình Dưới tác dụng của lực từ thanh kim loại sẽ

chuyển động trên mặt ngang hai thanh ray Khi đó lực ma sát sẽ ngược

1.2: Lực tương tác giữa hai dây dẫn song song mang dòng điện.

- Khi cho dòng điện chạy qua hai dây dẫn thẳng song song thì hai dòng điện tương tác với nhau.

+) Nếu 2 dòng điện chạy cùng chiều 2 dây hút nhau

+) Nếu 2 dòng điện chạy ngược chiều 2 dây đẩy nhau

Trong đó: I I1, 2 (A) là cường độ dòng điện

(m) là chiều dài 2 dây



D (m) khoảng cách 2 dây

Tính trên 1m chiều dài dây dẫn 1

- Biểu diễn dây dẫn vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, ta được:

Hai dòng điện cùng chiều Hai dòng điện ngược chiều

- Khi có nhiều dòng điện tác dụng lên nhau thì ta áp dụng nguyên lý chồng chất:

1 2 3

FF F F 

Ví dụ 6: Hai dây dẫn thẳng dài, đặt song song với nhau và cách nhau 10 cm đặt trong không khí Dòng điện

chạy trong dây dẫn có cường độ là I1 1 A, I2 5 A

a) Tính lực từ tác dụng lên một đơn vị chiều dài của dây

b) Tính lực từ tác dụng lên một đoạn có chiều dài 2 m của mỗi dây

Ví dụ 7: Dây dẫn thẳng dài có dòng I1 15 A đi qua, đặt trong chân không.

a) Tính cảm ứng từ tại điểm cách dây 15 cm

b) Tính lực từ tác dụng lên 1 m dây của dòng I2 10A đặt song song cách đoạn 15 cm Cho biết lực đó I1

là lực hút hay lực đẩy Biết rằng và ngược chiều nhau.I1 I2

Vì hai dòng điện ngược chiều nên lực là lực đẩy

Ví dụ 8: Ba dây dẫn thẳng dài mang dòng điện I I I1, ,2 3 theo thứ

tự đó, đặt song song cách đều nhau, khoảng cách giữa 2 dây là a =

4 cm Biết rằng chiều của và hướng vào, hướng ra mặt I1 I3 I2

Dòng sẽ chịu tác dụng của hai dòng điện và .I1 I2 I3

Gọi  F F21, 31 lần lượt là lực do dòng điện và dòng điện tác dụng lên 1 m dây của dòng điện

Vì hai dòng điện và cùng chiều nên lực tương tác giữa chúng là lực hút Còn hai dòng điện và I1 I3 I1 I2

ngược chiều nên lực tương tác giũa chúng là lực đẩy

Ví dụ 9: Ba dây dẫn thẳng dài và song song cách đều nhau một khoảng a = 20 (cm) (hình vẽ) Cường độ

dòng điện chạy trong 3 dây lần lượt là I150A , I2 I3 20A

1 Xác định cảm ứng từ B tại điểm cách dây 2 và dây 3 một khoảng a =

I

r I

Ví dụ 10: Ba dây dẫn thẳng dài đặt song song cùng một mặt phẳng

đứng có khoảng cách a = 5 cm như hình vẽ Dây 1 và 3 được giữ cố

định, có cường độ dòng điện I12I3 4 A đi qua như hình vẽ

Dây 2 tự do có dòng I2 5 A đi qua Tìm chiều di chuyển của dây

2 và lực từ tác dụng lên 1m dây 2 khi nó bắt đầu chuyển động nếu

mang sẽ dịch chuyển sang bên phải đến khi cân bằng được thiết lập thì dừng lại.I2

b) Khi dòng diện qua có chiều từ trên xuống, lúc này sẽ hút một lực I2 I1 I2 F12 còn sẽ hút một

Ví dụ 11: Hai dòng điện thẳng dài vô hạn đặt song song cách nhau 30 cm mang hai dòng điện cùng chiều

1.3: Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện.

- Đường sức từ nằm ngang trong mặt phẳng khung:

+) Lực từ tác dụng lên hai đoạn dây AB và CD bằng 0 (vì AB và CD song song với đường sức từ)

+) Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy các lực từ tác dụng lên hai đoạn dây BC và DA như hình a Hai lực này hợp thành một ngẫu lực và làm cho khung dây quay quanh trục OO

- Đường sức từ vuông góc với mặt khung:

Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy các lực từ tác dụng lên khung dây như hình b Các lực này không có tác dụng làm cho khung quay

- Mô men ngẫu lực (lực từ)

sin

Trong đó: M (N.m) là momen ngẫu lực

S  m2 là diện tích của khung

N là số vòng của khung dây

là vecto pháp tuyến của khung dây

a) Cảm ứng từ song song với mặt phẳng khung dây.B

b) Cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây.B

Lời giải:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là: M NBISsin

a) Khi cảm ứng từ song song với mặt phẳng khung dây thì góc B nên:

90

  

 

315.10 m

M NBIS   N

b) Khi cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây thì góc B nên:

0

  .sin 0 0

M NBIS  

Ví dụ 13: Một khung dây có kích thước 2cm x 3cm đặt trong từ trường đều Khung dây gồm 200 vòng

Cho dòng điện có cường độ 0,2 A đi vào khung dây Momem ngẫu lực từ tác dụng lên khung có giá trị lớn nhất bằng 24.10 Nm 4 Hãy tính cảm ứng từ của từ trường

Lời giải:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là: M NBISsin

Với   B n , là góc hợp bởi giữa vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây Trong quá trình khung quay thì chỉ có thay đổi vì thế  Mmax khi và chỉ khi sin 1 nghĩa là

Ví dụ 14: Cho một khung dây có dạng hình tam giác đều ABC (hình vẽ)

Khung dây được đặt trong từ trường đều sao cho các đường sức từ song

song với mặt phẳng khung dây và vuông góc với cạnh BC của khung dây

Cho biết cạnh của khung dây bằng a và dòng điện trong khung có cường

độ I Hãy chỉ ra các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây và thành

lập công thức momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung

Lời giải:

Góc hợp bởi dòng điện IAB và vecto bằng 150°, góc hợp bởi dòng

ngẫu lực tác dụng lên khung

Momen của ngẫu lực tác dụng lên khung dây không phụ thuộc vào việc chọn trục quay Do đó ta có thể chọn trục quay đi qua H, khi đó momen của ngẫu lực tác dụng lên khung lúc đó là:

Ví dụ 15: Khung dây hình chữ nhật ABCD có cạnh AB = CD = a = 10

cm, AD = BC = b = 5 cm, có dòng I2 2 A đi qua Một dòng điện

thẳng dài I14 A nằm trong mặt phẳng ABCD cách AB một khoảng d

= 5 cm như hình vẽ Tính lực từ tổng hợp do tác dụng lên khung I1

dây

Lời giải:

Từ trường do gây nên tại các vị trí nằm trên cạnh khung dây có chiều hướng vào mặt phẳng hình vẽ I1

Lực từ tác dụng mỗi cạnh của khung dây được xác định theo quy tắc bàn tay trái Các lực từ nói trên nằm trong mặt phẳng khung dây nên không gây ra momen làm cho khung quay