Khởi động: Tính chất cơ bản của từ trường là gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong từ trường đó. Vậy lực từ có đặc điểm như thế nào?
Lời giải:
Đặc điểm của lực từ:
- Lực từ là một lực tương tác: lực từ chỉ xuất hiện khi có hai vật liệu từ (nam châm, sắt, thép) hoặc giữa nam châm và dòng điện tương tác với nhau.
- Lực từ có thể là lực đẩy hoặc lực hút: hai cực cùng tên của nam châm sẽ đẩy nhau và khác tên sẽ hút nhau. Dòng điện và nam châm cũng có thể hút hoặc đẩy nhau tuỳ thuộc vào chiều của dòng điện và chiều của từ trường.
- Lực từ có phương vuông góc với đường sức từ
- Điểm đặt của lực từ tại trung điểm của đoạn dây mang dòng điện
- Xác định lực từ bằng quy tắc bàn tay trái.
I. Thí nghiệm về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện
Thí nghiệm
Chuẩn bị: Thiết bị thí nghiệm gồm:
- Hộp gỗ có gắn các thiết bị dưới đây:
+ Nam châm điện có gắn hai tấm thép (1).
+ Đòn cân (2) có gắn gia trọng (3) và khớp nối với khung dây dẫn (4).
+ Hai ampe kế có giới hạn đo 2 A (5), (6).
+ Hai biến trở xoay 100 Ω - 2 A (7).
+ Hai công tắc dùng để đảo chiều dòng điện qua nam châm điện và khung dây (8), (9).
- Khung dây n = 200 vòng có chiều dài một cạnh l = 10 cm (10).
- Lực kế có giới hạn đo 0,5 N (11).
- Đèn chỉ hướng từ trường trong lòng nam châm điện (12).
- Nguồn điện một chiều, điện áp 12 V (13) và các dây nối.
Tiến hành:
- Nối hai cực của nguồn điện DC với hai chốt cắm trên hộp gỗ. Cắm khung dây vào khớp nối trên đòn cân, sao cho cạnh dưới của khung dây nằm trong từ trường của nam châm.
- Đóng công tắc điện.
Thực hiện các yêu cầu sau:
1. Quan sát và giải thích hiện tượng xảy ra với khung dây.
2. Quan sát đèn chỉ hướng từ trường trong lòng nam châm điện, các cực của nguồn điện nối với khung dây, chiều chuyển động của khung dây; từ đó xác định chiều của cảm ứng từ bên trong lòng nam châm điện, chiều dòng điện và chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện I trong từ trường.
3. Dự đoán hiện tượng xảy ra nếu đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện hoặc khung dây.
4. Đề xuất cách xác định chiều của lực từ.
Lời giải:
1. Khung dây bị nâng lên hoặc hạ xuống do chịu tác dụng của lực từ do từ trường của nam châm điện gây ra.
2. Học sinh tự quan sát thí nghiệm và đưa ra kết luận.
Giả sử các cực của nam châm như hình dưới đây, chiều chuyển động của khung dây, ta có thể xác định chiều của cảm ứng từ bên trong lòng nam châm điện, chiều dòng điện và chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện I trong từ trường.
3. Nếu đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện hoặc khung dây thì khung dây sẽ chuyển động ngược lại so với ban đầu.
4. Cách xác định chiều của lực từ: Quy tắc bàn tay trái:
Đặt bàn tay trái sao cho vecto cảm ứng từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện, thì ngón tay cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện.
Hoạt động: Sử dụng quy tắc bàn tay trái để kiểm chứng chiều của lực từ tác dụng lên thanh kim loại M1M2 trong Hình 15.2.
Lời giải:
- Quy tắc bàn tay trái: Dùng bàn tay trái đặt sao cho, ngón cái choãi ra vuông góc với lòng bàn tay biểu diễn chiều của lực từ. Các đường sức từ đi vào lòng bàn tay. Chiều của dòng điện song song với ngón trỏ.
Câu hỏi: Ba dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường như Hình 15.4.
1. Hãy xác định phương và chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn ở Hình 15.4a, 15.4b.
2. Trong trường hợp Hình 15.4c, có lực từ tác dụng lên dây dẫn không? Dự đoán lực từ còn phụ thuộc vào yếu tố nào khác?
Lời giải:
1. Ở hình 15.4a, lực từ có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ, có chiều hướng từ ngoài vào trong.
Ở hình 15.4b, lực từ có phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống dưới.
2. Ở hình 15.4c, không xuất hiện lực từ. Lực từ còn phụ thuộc vào góc hợp bởi phương của từ trường và hướng của dòng điện.
II. Độ lớn cảm ứng từ
Câu hỏi 1: Xét một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài L = 1 m, có dòng điện I = 3 A chạy qua được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 5.10-2 T. Hãy xác định độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện nếu phương của dây dẫn hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 60°.
Lời giải:
Độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện là:
Câu hỏi 2: Một dây dẫn dài 50 cm có dòng điện chạy qua được đặt vuông góc với từ trường có độ lớn cảm ứng từ là 5 mT.
a) Nếu có 1018 electron chạy qua dây dẫn trong mỗi giây thì cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn bằng bao nhiêu? (Cho biết độ lớn điện tích electron là |e| = 1,60.10-19 C).
b) Tính độ lớn của lực từ tác dụng lên dây dẫn.
Lời giải:
III. Thực hành đo độ lớn cảm ứng từ
Hoạt động:
a) Từ công thức (15.1), hãy cho biết để xác định cảm ứng từ thì cần đo các đại lượng nào?
b) Nên đặt góc α bằng bao nhiêu? Tại sao?
c) Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm để đo được cảm ứng từ của nam châm điện.
Lời giải:
a) Từ công thức (15.1) , để xác định cảm ứng từ thì cần đo các đại lượng: góc hợp bởi dòng điện và cảm ứng từ (hướng của cảm ứng từ hoàn toàn xác định được dựa vào các cực của nam châm hoặc nam châm điện…), cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, đo độ lớn lực từ tác dụng lên khung dây dựa vào giá trị trên lực kế.
b) Nên đặt góc α bằng 90o tức là khung dây vuông góc với vecto cảm ứng từ của nam châm điện. Vì khi đặt góc α bằng 90o để việc tính toán dễ hơn và tiến hành thí nghiệm được đơn giản hơn.
c) Các bước tiến hành thí nghiệm để đo được cảm ứng từ của nam châm điện.
- Treo khung dây vào đầu đòn cân.
- Điều chỉnh khung dây vuông góc với vectơ cảm ứng từ của nam châm điện (α = 90°).
- Điều chỉnh gia trọng và dây căng lực kế để lực kế đo được lực từ.
- Bật công tắc nguồn điện. Điều chỉnh cường độ dòng điện qua nam châm điện ở mức ban đầu 0,1 A. Xác định giá trị của lực từ F qua lực kế.
- Thay đổi giá trị cường độ dòng điện qua khung dây mỗi lần tăng lên 0,1 A. Đọc giá trị cường độ dòng điện I qua khung dây và xác định giá trị lực từ F qua lực kế, ghi kết quả vào vở như ví dụ ở Bảng 15.1.
Hoạt động:
- Tính và điền vào bảng như ví dụ minh hoạ ở Bảng 15.1.
- Tính giá trị trung bình, sai số phép đo độ lớn cảm ứng từ B của từ trường nam châm.
Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm:
Nhận xét về nguyên nhân gây ra sai số của phép đo và đề ra giải pháp để giảm sai số đó.
Lời giải:
- Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo cảm ứng từ, bao gồm: sai số dụng cụ, sai số thao tác, sai số do môi trường. Giải pháp giảm sai số:
+ Đối với sai số dụng cụ: Sử dụng dụng cụ đo có độ chính xác cao hơn, kiểm tra, hiệu chỉnh dụng cụ đo trước khi sử dụng, sử dụng dụng cụ đo phù hợp với phạm vi đo cần thiết.
+ Đối với sai số thao tác: Tăng cường kỹ năng thao tác thí nghiệm, đọc giá trị dụng cụ cẩn thận, chính xác, lặp lại phép đo nhiều lần để tăng độ tin cậy.
+ Đối với sai số do môi trường: Chọn vị trí đặt thí nghiệm ít nhiễu từ trường ngoài, giảm thiểu rung động, chấn động trong quá trình đo, ổn định nhiệt độ môi trường xung quanh.
Em có thể: Giải thích được nguyên tắc hoạt động của tàu đệm từ.
Lời giải:
Tàu đệm từ hoạt động dựa trên hai nguyên tắc cơ bản: lực nâng từ và lực đẩy từ.
- Lực nâng từ: Lực nâng từ được tạo ra bởi sự tương tác giữa các nam châm trên tàu và các cuộn dây dẫn điện được đặt dọc theo đường ray. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường. Các nam châm trên tàu được thiết kế để tương tác với từ trường này, tạo ra lực đẩy lên tàu, giúp tàu nâng lên khỏi đường ray. Lực nâng từ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây.
- Lực đẩy từ: Lực đẩy từ được tạo ra bởi sự tương tác giữa các cuộn dây dẫn điện được đặt dọc theo đường ray. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường. Các cuộn dây được thiết kế để tạo ra một từ trường di chuyển dọc theo đường ray. Từ trường di chuyển này tương tác với các nam châm trên tàu, tạo ra lực đẩy, giúp tàu di chuyển về phía trước. Lực đẩy từ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây.