Chương IV. TỪ TRƯỜNG TRONG CHÂN KHÔNG Mục tiêu
Tiết 28 5.1. TỪ TRƯỜNG CỦA ĐIỆN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG
Như ta đã biết nguồn gốc của từ trường là do các hạt mang điện chuyển động sinh ra. Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện, do vậy từ trường của dòng điện chính là từ trường tổng hợp do các hạt mang điện bên trong nó chuyển động gây ra. Ta có thể thiết lập công thức tính từ trường do một hạt mang điện gây ra xung quanh nó tại một điểm cách nó một khoảng r.
Xuất phát từ công thức tính từ trường do phần tử mang điện Idl
gây ra tại một điểm cách nó một khoảng r:
0
4 3
I l r
B r
Mà ta lại có : I l Sj l n qvS l 0
; trong đó jlà vectơ mật độ dòng điện, S là diện tích tiết diện của dây dẫn có dòng điện chạy qua, n0 là mật độ hạt mang điện, v là vận tốc chuyển động của các hạt tải điện đó. Như vậy số hạt mang điện tự do trong phần tử dl là: n S l0 , nên cảm ứng từ do một điện tích gây ra sẽ là:
0 3
0 4
q v r B B
n S l r
(5.1) Về độ lớn: 0 2
. . . .sin 4 q v r
B r
(5.2) với α là góc hợp bởi vectơ vận tốc vvà vec tơ bán kính r
. Phương của B
vuông góc với phương củav và của r.
Chiều của Bđược xác định theo quy tắc tam diện thuận hoặc quy tắc nắm bàn tay phải (đối với các điện tích dương): Nắm bàn tay phải sao cho chiều nắm của các ngón tay theo chiều từ v đến r
theo góc nhọn thì chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của cảm ứng từ B
. Còn đối với các điện tích âm thì chiều của cảm ứng từ được xác định ngược lại với quy tắc trên.
Lưu ý là vận tốc v trong công thức trên là vận tốc tương đối của hạt mang điện đối với hệ quy chiếu trong đó ta đo từ trường. Công thức 5.1 chỉ đúng đối với vận tốc v không quá lớn.
Trong trường hợp tổng quát ta phải kể đến sự truyền sóng điện từ.
153
5.2. LỰC LORENTZ 5.2.1. Lực Lorentz
Ta đã biết kết luận một dây dẫn mang dòng điện khi chuyển động trong từ trường và cắt các đường sức từ thì sẽ chịu tác dụng của lực từ. Vậy đối với từng điện tích chuyển động thì lực này được xác định như thế nào?
Ta cũng biết dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích (ở đây đó là dòng chuyển dời của electron), do vậy lực từ tác dụng lên dây dẫn mang điện thực chất là tổng hợp của lực từ tác dụng lên các hạt mang điện chạy trong nó. Thí nghiệm với ống tia âm cực cho kết quả là, đường đi của chùm tia electron trong ống tia âm cực bị bẻ cong khi đặt ống tia âm cực trong từ trường.
Điều này dẫn đến kết luận là, từ trường tác dụng lực từ lên các điện tích khác chuyển động trong nó. Biểu thức xác định lực từ tác dụng lên các hạt mang điện chuyển động trong từ trường được nhà bác học Lorentz xây dựng từ thực nghiệm nên lực này được gọi là lực Lorentz.
5.2.2. Biểu thức của lực lorentz
Bây giờ ta thành lập công thức tính lực do từ trường tác dụng lên điện tích chuyển động dựa vào công thức Ampère. Xét lực tác dụng lên một dây dẫn thẳng dài l có dòng điện I chạy qua. Theo công thức Ampère thì lực này có công thức: f I dl B . Mặt khác ta lại có Idln qvdl0
, nên công thức được viết lại là:
f I l B Sn q l v B0
Đây là biểu thức lực từ tác dụng lên N=Sn l0 hạt mang điện. Do vậy lực tác dụng lên một hạt mang điện sẽ là: f f q v B
N
(5.3) Lực này có các đặc điểm sau:
- Có phương vuông góc với vectơ vận tốc của hạt và vectơ cảm ứng từ - Có chiều tuân theo quy tắc tam diện thuận hay quy tắc bàn tay trái: đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hứng các đường cảm ứng từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều của dòng điện, khi đó ngón tay cái choãi ra 900 chỉ
chiều của lực từ tác dụng lên hạt mang điện dương. Đối với các hạt mang điện âm thì chiều ngược lại.
- Độ lớn được tính theo biểu thức: f q vBsin ; với α là góc hợp bởi vectơ vận tốc và vectơ cảm ứng từ.
Nếu góc α bằng không nghĩa là hạt mang điện chuyển động dọc theo các đường sức từ thì lực tác dụng lên điện tích đó bằng không.
Tiết 29