4.5. TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG LÊN DÒNG ĐIỆN

Chương IV. TỪ TRƯỜNG TRONG CHÂN KHÔNG Mục tiêu

Tiết 24 4.5. TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG LÊN DÒNG ĐIỆN

Theo công thức Ampère lực từ tác dụng lên một đơn vị dòng điện Idl

đặt trong từ trường có dạng:

dF I dl B  

  

Lực này có đặc điểm:

- Độ lớn: dF I dl B. . sin( , )dl B 

- Phương vuông góc với dl B ,

và chiều tuân theo quy tắc vặn đinh ốc: Vặn đinh ốc sao cho chiều quay quanh trục của nó từ dl

tới B

thì chiều tiến của đinh ốc là chiều của lực.

Ngoài ra người ta hay sử dụng quy tắc bàn tay trái để xác định lực từ: đặt bàn tay sao cho lòng bàn tay hứng các đường cảm ứng từ đi xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều dòng điện. Chiều ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của lực từ tác dụng lên phần tử điện đó.

2. Tác dụng tương hỗ giữa hai dòng điện thẳng song song dài vô hạn. Định nghĩa đơn vị cường độ dòng điện: Ampe

Nếu cho hai dây dẫn song song dài vô hạn mang hai dòng điện I1 và I2 đặt gần nhau cách nhau một khoảng d, thì dòng điện này sẽ nằm trong từ trường do dòng điện kia tạo ra, do đó chúng đều chịu lực từ tác dụng lên.

Kết quả tính toáng cho thấy, lực từ tác dụng lên một mét dây dẫn mang dòng điện sẽ là:

0

2 1 2

F I I

d



   .

Lực này sẽ là lực hút nếu hai dòng điện song song cùng chiều, và hai dòng điện này sẽ đẩy nhau nếu hai dòng điện song song ngược chiều.

Hình 4.10. Tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song

- Định nghĩa đơn vị cường độ dòng điện: Ampe là cường độ của một đơn vị dòng điện không đổi khi chạy qua hai dây dẫn thẳng song song và dài vô hạn có tiết diện nhỏ đặt trong chân không cách nhau 1 m, thì trên mỗi met chiều dài dây dẫn sẽ chịu tác dụng của một lực bằng 2.10-7N.

3. Tác dụng của từ trường đều lên dòng điện kín Trên thực tế có rất nhiều công là do

các động cơ điện thực hiện. Lực sinh ra công ấy là lực mà từ trường tác dụng lên dây dẫn có dòng điện chạy qua.

Hình vẽ một khung dây hình chữ nhật cạnh a và b có dòng điện i chạy qua, đặt nằm trong từ trường đều B

vuông góc với cạnh b của khung. Ta xác định vectơ pháp tuyến của khung dây theo quy tắc bàn tay phải, với góc hợp bởi véctơ pháp tuyến của khung dây với cảm ứng từ B

là α. Khi đó lực từ tác dụng lên khung dây có đặc điểm:

- Lực tác dụng lên hai cạnh độ dài a có cùng độ lớn, ngược chiều và giá của chúng cùng nằm trên một đường thẳng nên không làm quay khung mà chỉ tác dụng kéo dãn khung. Tổng hợp lực tác dụng vào hai cạnh này bằng không, mô men ngẫu lực của hai lực này cũng bằng không.

- Lực tác dụng lên hai cạnh b có độ lớn: f = Bib. Hai lực này có cùng độ lớn nhưng ngược chiều nhau. Mặt khác chúng lại không cùng giá nên mômen ngẫu lực của hai lực này khác không, kết quả là sẽ làm quay khung dây theo hướng sao cho vectơ pháp tuyến của khung trùng với vectơ cảm ứng từ. Mômen ngẫu lực có giá trị:

. sin . sin sin sin sin

2 2 m

a a

M IbB  IbB  IbaB  IBS  Bp  (4.24) Trong đó S = ab là diện tích của khung, pm = IS là mômen lưỡng cực từ của khung. Từ đó ta có thể viết dưới biểu thức vectơ là:

M pmB

  

(4.25) 141

f 

f 

I

b a

α

n  B 

Hình 4.11. Lực từ tác dụng lên dòng điện kín

Vectơ mômen ngẫu lực có phương vuông góc với vectơ lưỡng cực từ và với vectơ cảm ứng từ của khung, có chiều tuân theo quy tắc tam diện thuận.

Ngẫu lực có tác dụng làm quay khung đến vị trí M = 0 nghĩa là vị trí mà vectơ mômen từ pm định hướng song song với vectơ cảm ứng từ. Có hai vị trí cân bằng của khung là vị trí ứng với α = 0 gọi là vị trí cân bằng bền ( nếu khung đang ở vị trí này thì chỉ cần làm lệch khỏi vị trí này một chút nó lại quay trở lại trạng thái như cũ). Và trạng thái ứng với  gọi là trạng thái cân bằng không bền (nếu khung đang ở trạng thái này mà ta làm lệch nó một chút khỏi vị trí này thì khung dây sẽ quay về vị trí cân bằng bền).

Công thức 4.24 và 4.25 có thể áp dụng cho một dòng điện kín bất kì bằng cách chia nhỏ diện tích giới hạn bởi dòng điện đó thành những khung dây nhỏ để có thể áp dụng được công thức trên. Với cách tính toán tương tự ta cũng có thể tìm ra biểu thức xác định mômen ngẫu lực từ tác dụng lên dòng điện kín đó như trong hai công thức đã tìm được ở trên.

4. Lực từ tác dụng lên một dòng điện kín đặt trong từ trường không đều Xét một dòng điện tròn bán kính r đặt trong một từ trường không đều nhưng đối xứng với nhau qua trục của dòng điện. Đối với một phần tử mang điện Idl thì lực từ dF

vuông góc với dây và vuông góc với từ trường tại điểm đang xét, do từ trường là không đều nên góc hợp bởi dF

và mặt phẳng của vòng dây là khác nhau. Tuy nhiên, thành phần lực song song với mặt phẳng vòng dây không có tác dụng làm khung dây quay hay chuyển động mà chỉ có tác dụng làm biến dạng khung dây. Còn thành phần vuông góc với mặt phẳng của vòng dây tạo nên lực tổng hợp tác dụng lên vòng dây làm cho nó chuyển động trong từ trường, vòng dây chịu lực tác dụng kéo nó về phía có từ trường mạnh hơn. Độ lớn của lực này: m

F p B x

 

 (4.26) (trong đó B

x



 là gradien của cảm ứng từ theo phương x của từ trường).

Như vậy đối với từ trường đều B 0

x

 



nên không làm dịch chuyển vòng dây.

Trong trường hợp tổng quát khi một khung dây có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường và không vuông góc với các đường cảm ứng từ thì khung sẽ chịu một mômen ngẫu lực làm quay khung sao

cho mômen từ của khung song song với từ trường, và lực kéo nó về phía có từ trường mạnh hơn. Điều này giải thích tại sao nam châm có thể hút sắt. Đó là do nam châm tạo ra xung quanh nó một từ trường, mạt sắt đặt trong từ trường đó sẽ bị nhiễm từ và có mômen từ, khi đó nó sẽ chịu lực tác dụng của từ trường kéo nó về phía có từ trường mạnh hơn.

5. Điện kế khung quay

Lực tác dụng của từ trường lên dòng điện được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật điện đó là cơ sở để tạo nên các dụng cụ đo điện và động cơ điện. Điện kế khung quay là một trong những dụng cụ ứng dụng tác dụng của từ trường lên một khung dây dẫn mang dòng điện để đo cường độ dòng điện rất nhỏ.

a. Cấu tạo

Trong điện kế khung quay dòng điện chạy qua một khung hình chữ nhật tạo bởi vài trăm vòng dây rất nhỏ bằng đồng quấn sít nhau (dây được phủ lớp vecni cách điện).

Khung được nối vào hai sợi dây kim loại nhỏ aa’ và bb’ thường ở vị trí thẳng đứng. Hai dây này có ba công dụng:

- Dây treo

- Dây nối với mạch điện

- Dây xoắn: khi khung lệch khỏi vị trí cân bằng (là vị trí của khung khi chưa có dòng điện thường được gọi là vị trí 0)

143

Hình 4.12. Lực từ tác dụng lên dòng điện kín đặt trong từ trường không đều

aa’

b b’

Hình 4.13. Điện kế khung quay

thì hai dây aa’ và bb’ tác dụng lên khung một ngẫu lực gọi là ngẫu lực xoắn kéo khung trở về vị trí cân bằng.

Khung được đặt giữa hai bản cực của một nam châm có hình dạng đặc biệt sao cho các đường cảm ứng từ luôn luôn nằm trong mặt phẳng của khung và vuông góc với các cạnh thẳng đứng của khung dù khung quay đều bất kì vị trí nào (từ trường do nam châm tạo ra được gọi là từ trường xuyên tâm).

b. Hoạt động

Khi có dòng điện có cường độ I chạy vào khung điện kế thì khung chịu tác dụng ngẫu lực từ, mômen của ngẫu lực từ là:

M NIBS

với N là số vòng của khung.

Ngẫu lực từ có tác dụng làm cho khung quay lệch khỏi vị trí cân bằng 0 lúc đầu. Nhưng khi khung lệch khỏi vị trí 0 thì dây treo lại tác dụng một ngẫu lực xoắn: mômen của ngẫu lực này tỉ lệ với góc quay của khung (so với vị trí 0).

Các tác dụng của ngẫu lực xoắn và ngẫu lực từ cân bằng nhau. Nếu α là góc quay của khung (so với vị trí 0 ) thì mômen ngẫu lực của khung: M’ =cα , với c là hằng số phụ thuộc vào dây treo gọi là hằng số xoắn. Khi khung cân bằng ta có M=M’

I c

NBS

  

Như vậy cường độ dòng điện I qua khung tỉ lệ với góc quay của khung. Ta đo góc quay của khung sẽ suy ra giá trị của I.

Điện kế khung quay có ưu điểm là có thể phát hiện và đo được những dòng điện có cường độ rất nhỏ tới 10-11A. Ngoài ra chiều quay của khung cũng phụ thuộc vào chiều dòng điện, nếu dòng điện đổi chiều thì chiều quay của khung cũng đổi chiều.

Tiết 25