Lực từ là một khái niệm quan trọng trong chương trình Vật lý lớp 11. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về Lực Từ Tác Dụng Lên đoạn Dây Dẫn, bao gồm phương pháp giải bài tập, ví dụ minh họa và bài tập tự luyện để giúp học sinh nắm vững kiến thức.
A. Phương Pháp & Ví Dụ
Lực từ (F) tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện trong từ trường đều có những đặc điểm sau:
- Điểm đặt: Trung điểm của đoạn dây dẫn.
- Phương: Vuông góc với cả dòng điện (I) và từ trường (B).
- Chiều: Xác định theo quy tắc bàn tay trái.
- Độ lớn: F = B.I.l.sin(α)
Trong đó:
- B là cảm ứng từ (Tesla – T).
- I là cường độ dòng điện (Ampe – A).
- l là chiều dài đoạn dây dẫn (mét – m).
- α là góc giữa vectơ dòng điện I và vectơ cảm ứng từ B.
Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái xòe rộng sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa trùng với chiều dòng điện, ngón cái choãi ra 90 độ chỉ chiều của lực từ.
Alt: Hình minh họa quy tắc bàn tay trái trong vật lý, xác định chiều của lực từ khi biết chiều dòng điện và hướng của từ trường, lòng bàn tay hứng từ trường, ngón tay chỉ dòng điện, ngón cái chỉ lực từ.
Lưu ý về chiều của cảm ứng từ:
-
Chiều của cảm ứng từ bên ngoài nam châm là chiều đi từ cực Bắc (N) đến cực Nam (S).
-
Quy ước biểu diễn hướng của từ trường:
-
: Vectơ cảm ứng từ hướng từ phía sau ra phía trước mặt phẳng hình vẽ.
Alt: Ký hiệu dấu chấm tròn trong vòng tròn, biểu thị từ trường hướng từ phía sau ra trước mặt phẳng, thường dùng trong vật lý. -
: Vectơ cảm ứng từ hướng từ phía trước vào phía sau mặt phẳng hình vẽ.
Alt: Ký hiệu dấu nhân trong vòng tròn, biểu thị từ trường hướng từ phía trước vào sau mặt phẳng, thường gặp trong các bài toán vật lý. -
: Vectơ cảm ứng từ nằm trên mặt phẳng hình vẽ, có phương và chiều tương ứng với mũi tên.
Alt: Mũi tên biểu diễn hướng của vectơ từ trường trên mặt phẳng giấy, sử dụng trong các sơ đồ vật lý để minh họa hướng và độ lớn của từ trường.
-
Ví dụ 1: Xác định chiều của một trong ba đại lượng (F, B, I) còn thiếu trong các hình vẽ sau, sử dụng quy tắc bàn tay trái.
Alt: Các hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa lực từ, dòng điện và từ trường, yêu cầu xác định chiều của một đại lượng chưa biết dựa trên quy tắc bàn tay trái, bài tập vật lý 11.
Hướng dẫn: Áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều còn thiếu.
Alt: Hướng dẫn sử dụng quy tắc bàn tay trái để giải bài tập vật lý, minh họa cách đặt bàn tay để xác định chiều lực từ, dòng điện hoặc từ trường còn thiếu trong các bài toán.
Ví dụ 2: Một đoạn dây dẫn dài 10m đặt trong từ trường đều có B = 5.10-2 T. Dòng điện chạy qua dây có cường độ 10A.
a) Tính lực từ tác dụng lên dây khi dây dẫn vuông góc với B.
b) Nếu lực từ tác dụng có độ lớn bằng 2,5√3 N. Xác định góc giữa B và chiều dòng điện.
Hướng dẫn:
a) Áp dụng công thức: F = B.I.l.sin(α) = (5.10-2).10.10.sin(90°) = 5 N
b) Sử dụng công thức F = B.I.l.sin(α) để tìm α.
Alt: Công thức lượng giác sin α = F / (B.I.l) dùng để tính góc giữa vectơ cảm ứng từ và dòng điện dựa trên độ lớn lực từ, cảm ứng từ, cường độ dòng điện và chiều dài dây dẫn.
Ví dụ 3: Cho đoạn dây MN khối lượng m, mang dòng điện I, đặt trong từ trường đều B. Biểu diễn các lực tác dụng lên đoạn dây MN (bỏ qua khối lượng dây treo).
Alt: Hình vẽ mô tả đoạn dây dẫn MN treo trong từ trường, chịu tác dụng của trọng lực hướng xuống, lực từ hướng lên và lực căng dây, minh họa các lực tác dụng lên vật trong bài toán vật lý.
Hướng dẫn:
- Các lực tác dụng lên đoạn dây MN: Trọng lực (P), lực căng dây (T), và lực từ (F).
- Xác định chiều của lực từ bằng quy tắc bàn tay trái.
Alt: Hình biểu diễn đầy đủ các lực tác dụng lên đoạn dây MN, bao gồm trọng lực P hướng xuống, lực căng T hướng lên và lực từ F hướng lên, thể hiện trạng thái cân bằng của dây dẫn trong từ trường.
Ví dụ 4: Treo đoạn dây dẫn MN dài l = 25cm, khối lượng trên một đơn vị chiều dài là 0,04 kg/m bằng hai dây mảnh. Cảm ứng từ B = 0,04 T. g = 10 m/s2.
a) Xác định chiều và độ lớn của I để lực căng dây bằng 0.
b) Cho I = 16A có chiều từ M đến N. Tính lực căng mỗi dây?
Alt: Sơ đồ vật lý về đoạn dây dẫn MN được treo trong từ trường đều, minh họa các lực tác dụng và các thông số liên quan để tính lực căng dây treo và dòng điện qua dây.
Hướng dẫn:
Alt: Phân tích các lực tác dụng lên đoạn dây dẫn để xác định chiều dòng điện và điều kiện để lực căng của dây treo bằng không, trọng lực cân bằng với lực từ.
a) Lực căng dây bằng 0 khi P + F = 0, suy ra F hướng lên. Áp dụng quy tắc bàn tay trái, xác định chiều của I. Tính I từ công thức F = P.
Alt: Công thức tính cường độ dòng điện I = (d.g) / B, dùng để xác định dòng điện cần thiết để lực từ cân bằng với trọng lực, khiến lực căng dây treo bằng không, d là khối lượng trên một đơn vị dài.
Alt: Bước tính toán chi tiết để xác định giá trị dòng điện I = 10A từ các thông số d, g và B, sử dụng trong bài toán cân bằng lực của đoạn dây dẫn trong từ trường.
Alt: Kết quả cuối cùng của bài toán, cường độ dòng điện I = 10 Ampe, là giá trị cần thiết để lực từ cân bằng trọng lực, làm cho lực căng dây treo bằng không.
b) Tính lực căng dây khi I = 16A.
Alt: Công thức tính lực căng T = (mg + BIl) / 2, dùng để xác định lực căng trên mỗi dây treo khi có dòng điện chạy qua, xét đến cả trọng lực và lực từ tác dụng lên đoạn dây.*
B. Bài Tập
Bài 1: Xác định chiều (của F, B, I) còn thiếu trong các hình vẽ sau:
Alt: Bài tập vật lý yêu cầu xác định chiều của các đại lượng lực từ, dòng điện, hoặc từ trường còn thiếu, dựa vào quy tắc bàn tay trái và các hình vẽ minh họa.
Lời giải:
Alt: Đáp án cho bài tập xác định chiều lực từ, dòng điện và từ trường, sử dụng quy tắc bàn tay trái để tìm ra hướng đúng của các đại lượng trong các tình huống khác nhau.
Bài 2: Xác định chiều đường sức từ (ghi tên cực của nam châm).
Alt: Bài tập yêu cầu xác định chiều của đường sức từ và cực của nam châm dựa trên quy tắc bàn tay trái, áp dụng kiến thức về lực từ tác dụng lên dây dẫn.
Lời giải:
Áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định cực và chiều của B.
Alt: Lời giải chi tiết cho bài tập, chỉ ra cách xác định chiều đường sức từ và cực của nam châm (Bắc/Nam) dựa trên quy tắc bàn tay trái và hướng của lực từ tác dụng lên dây dẫn.
Alt: Hình minh họa kết quả bài tập, thể hiện rõ chiều của đường sức từ và vị trí các cực Bắc (N) và Nam (S) của nam châm đã được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Alt: Hình vẽ biểu diễn từ trường có hướng vuông góc với mặt phẳng và hướng từ trong ra ngoài, thường dùng để mô tả các bài toán liên quan đến lực từ trong vật lý.
Bài 3: Một dây dẫn dài l = 5m, B = 3.10-2 T. Cường độ dòng điện 6A. Xác định độ lớn lực từ trong các trường hợp:
a) Dây dẫn vuông góc với đường sức từ.
b) Dây dẫn song song với đường sức từ.
c) Dây dẫn hợp với đường sức từ góc 45°.
Lời giải:
a) α = 90°: F = B.I.l.sin(90°) = 0,9 N
b) α = 0°: F = B.I.l.sin(0°) = 0 N
c) α = 45°: F = B.I.l.sin(45°) = 0,64 N
Bài 4: Đoạn dây MN dài 6 cm, dòng điện 5A, B = 0,5 T. Lực từ F = 7,5.10-2 N. Góc giữa dây MN và đường cảm ứng từ là bao nhiêu?
Lời giải:
Sử dụng công thức F = B.I.l.sin(α) để tìm α.
Alt: Phương trình sin α = F / (B.I.l) và các bước tính toán để tìm ra góc α = 30 độ, thể hiện cách giải bài toán vật lý về lực từ tác dụng lên dây dẫn.
Bài 5: Dây dẫn dài 1m, I = 5A, đặt vuông góc với B = 5.10-3T. Tính lực từ.
Lời giải:
F = B.I.l.sin(90°) = 5.10-3.5.1.1 = 25.10-3 N
Bài 6: Đoạn dây dài 5cm, dòng điện 0,75A, lực từ 3.10-2 N, vuông góc với B. Tính cảm ứng từ.
Lời giải:
Sử dụng công thức F = B.I.l.sin(α) để tìm B.
Alt: Công thức B = F / (I.l.sin α) dùng để tính cảm ứng từ B dựa trên lực từ F, cường độ dòng điện I, chiều dài dây l và góc α giữa dây và từ trường.
Bài 7: Dây dẫn MN dài l, khối lượng trên một đơn vị dài D = 0,04kg/m. Dây treo bằng hai dây nhẹ, B vuông góc với mặt phẳng chứa MN và dây treo, B = 0,04T.
a) Định chiều và độ lớn của I để lực căng dây treo bằng không.
b) Cho MN = 25cm, I = 16A có chiều từ N đến M. Tính lực căng của mỗi dây.
Alt: Hình vẽ mô tả dây dẫn MN treo trong từ trường, với các lực tác dụng là trọng lực hướng xuống và lực từ có thể hướng lên hoặc xuống tùy thuộc vào chiều dòng điện.
Lời giải:
Alt: Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên đoạn dây dẫn, với trọng lực P và lực từ F được biểu diễn, giúp xác định điều kiện cân bằng và chiều dòng điện.
a) Để lực căng bằng 0, F = P. Xác định chiều của I bằng quy tắc bàn tay trái. Tính I từ công thức B.I.l = D.l.g.
Alt: Công thức I = (D.l.g) / (B.l) dùng để tính cường độ dòng điện cần thiết để lực từ cân bằng với trọng lực, trong đó D là khối lượng trên đơn vị dài, g là gia tốc trọng trường, và B là cảm ứng từ.
b) Tính lực từ F = B.I.l.sin(α). Khi MN cân bằng: F + P – 2T = 0.
Alt: Phương trình T = (F + P) / 2 dùng để tính lực căng trên mỗi dây treo khi biết tổng lực từ F và trọng lực P tác dụng lên đoạn dây, chia đều cho hai dây treo.
C. Bài Tập Bổ Sung
(Câu 1 – Câu 12): (Các câu trắc nghiệm kiểm tra kiến thức về công thức, quy tắc bàn tay trái và các yếu tố ảnh hưởng đến lực từ).
Ví dụ một câu:
Câu 12: Trong các hình sau, hình nào chỉ đúng hướng của lực từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường?
A.
C.
(Các hình B và D không hiển thị)
D. Bài Tập Tự Luyện
(Bài 1 – Bài 10): (Các bài tập tổng hợp, yêu cầu vận dụng nhiều kiến thức và kỹ năng để giải).
Ví dụ một bài:
Bài 1: Hình nào biểu diễn đúng hướng lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện I có chiều như hình vẽ đặt trong từ trường đều, đường sức từ có hướng như hình vẽ:
Bài viết này cung cấp một lượng lớn kiến thức và bài tập về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn. Chúc các bạn học tốt!
