Ở bài trước, chúng ta đã tìm hiểu từ trường – một dạng trường vật chất tồn tại xung quanh nam châm hoặc dòng điện, có khả năng tác dụng lực từ lên các vật mang điện. Trong bài học này, ta sẽ đi sâu vào hiện tượng lực từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện chạy qua trong từ trường, tìm hiểu công thức xác định độ lớn của lực từ, định nghĩa cảm ứng từ, và quy tắc xác định chiều của lực từ.
Hiểu rõ bản chất của lực từ không chỉ giúp học sinh vận dụng vào bài tập, mà còn là nền tảng cho nhiều ứng dụng kỹ thuật như: động cơ điện, loa, micro, máy phát điện và nhiều thiết bị điện – điện tử trong đời sống hiện đại.
Kết quả thí nghiệm và các nghiên cứu vật lý đã chứng minh rằng:
Độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện được xác định bởi công thức: $ F = BIL\sin\alpha $
Trong đó:
Phân tích công thức:
Từ công thức của lực từ, ta suy ra biểu thức cảm ứng từ: $ B = \frac{F}{IL\sin\alpha} $
Giải thích ý nghĩa vật lý:
Tức là, một Tesla là cảm ứng từ của từ trường mà tại đó một đoạn dây dẫn dài 1 mét, mang dòng điện 1 ampe, vuông góc với đường sức từ, sẽ chịu lực 1 newton.
Ta có thể chuyển đổi sang các đơn vị cơ bản: $ 1T = 1\frac{N}{m \cdot A} = 1\frac{kg}{A \cdot s^2} $
Trong thực tế, đơn vị Tesla khá lớn, nên người ta thường dùng đơn vị nhỏ hơn là militesla (mT) hoặc microtesla (μT).
Ví dụ:
Cảm ứng từ $B$:
Góc hợp $\alpha$ giữa $\overrightarrow{B}$ và dây dẫn: Khi $\alpha$ tăng từ 0° đến 90°, giá trị $\sin\alpha$ tăng dần → lực từ tăng theo.
Trong loại từ trường này, lực từ tác dụng lên dây dẫn có độ lớn không đổi nếu dòng điện, chiều dài dây và góc $\alpha$ giữ nguyên.
Ví dụ: Một đoạn dây dẫn dài $0,2,m$ mang dòng điện $2,A$ đặt vuông góc trong từ trường đều có $B = 0,5,T$.
Ta có: $ F = BIL\sin\alpha = 0,5 \times 2 \times 0,2 \times \sin 90° = 0,2,N $
Vậy lực từ tác dụng lên đoạn dây là 0,2 newton.
Hiểu rõ bản chất của lực từ không chỉ giúp học sinh vận dụng vào bài tập, mà còn là nền tảng cho nhiều ứng dụng kỹ thuật như: động cơ điện, loa, micro, máy phát điện và nhiều thiết bị điện – điện tử trong đời sống hiện đại.
1. Thí nghiệm về lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện
a. Hiện tượng thí nghiệm
Khi đặt một đoạn dây dẫn mang dòng điện vào trong từ trường đều, ta quan sát thấy dây bị lệch khỏi vị trí ban đầu. Hiện tượng này cho thấy: dòng điện trong dây dẫn chịu tác dụng của lực từ.- Nếu ngắt dòng điện, dây trở lại vị trí cân bằng → chứng tỏ lực này chỉ xuất hiện khi có dòng điện.
- Nếu đảo chiều dòng điện, hướng lệch của dây cũng đảo ngược → cho thấy chiều của lực từ phụ thuộc vào chiều dòng điện.
- Nếu tăng cường độ dòng điện, độ lệch của dây tăng lên → lực từ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện.
b. Đặc điểm của lực từ
Lực từ $\overrightarrow{F}$ tác dụng lên đoạn dây dẫn có các đặc điểm:- Phương: vuông góc với cả đoạn dây dẫn và đường sức từ.
- Chiều: xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
- Điểm đặt: tại trung điểm của đoạn dây chịu lực.
- Độ lớn: phụ thuộc vào cảm ứng từ của từ trường, cường độ dòng điện, chiều dài dây và góc hợp bởi dòng điện với từ trường.
2. Quy tắc bàn tay trái
Để xác định chiều của lực từ $\overrightarrow{F}$, ta dùng quy tắc bàn tay trái, được phát biểu như sau:Ví dụ: Giả sử có một dây dẫn đặt trong từ trường đều của nam châm, sao cho đường sức từ hướng từ Bắc sang Nam.
- Nếu dòng điện chạy từ dưới lên trên, thì theo quy tắc bàn tay trái, ngón cái chỉ sang trái, nghĩa là lực từ hướng sang trái.
- Nếu đảo chiều dòng điện, ngón cái chỉ sang phải, tức là lực từ đảo chiều.
3. Biểu thức độ lớn của lực từ
Độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện được xác định bởi công thức: $ F = BIL\sin\alpha $
Trong đó:
| Ký hiệu | Đại lượng vật lý | Đơn vị trong hệ SI |
|---|---|---|
| F | Lực từ tác dụng lên dây dẫn | N (newton) |
| B | Cảm ứng từ tại vị trí dây dẫn | T (tesla) |
| I | Cường độ dòng điện chạy qua dây | A (ampe) |
| L | Chiều dài đoạn dây dẫn nằm trong từ trường | m (mét) |
| α | Góc giữa đoạn dây dẫn và véctơ cảm ứng từ B | độ |
Phân tích công thức:
- Khi $\alpha = 0°$ hoặc $\alpha = 180°$ ⇒ $\sin\alpha = 0$ ⇒ $F = 0$ → Lực từ bằng 0 nếu dòng điện song song với đường sức từ.
- Khi $\alpha = 90°$ ⇒ $\sin\alpha = 1$ ⇒ $F = BIL$ → Lực từ đạt giá trị cực đại khi dòng điện vuông góc với đường sức từ.
4. Cảm ứng từ và công thức tính ngược
Cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường tại một điểm.Từ công thức của lực từ, ta suy ra biểu thức cảm ứng từ: $ B = \frac{F}{IL\sin\alpha} $
Giải thích ý nghĩa vật lý:
- $B$ tỉ lệ thuận với lực từ $F$ → Từ trường càng mạnh, lực tác dụng càng lớn.
- $B$ tỉ lệ nghịch với tích $IL\sin\alpha$ → Với cùng lực từ, nếu dòng điện hoặc chiều dài dây tăng thì cảm ứng từ nhỏ hơn.
5. Đơn vị của cảm ứng từ
Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (T), được định nghĩa là: $ 1T = \frac{1N}{1A \cdot 1m} $Tức là, một Tesla là cảm ứng từ của từ trường mà tại đó một đoạn dây dẫn dài 1 mét, mang dòng điện 1 ampe, vuông góc với đường sức từ, sẽ chịu lực 1 newton.
Ta có thể chuyển đổi sang các đơn vị cơ bản: $ 1T = 1\frac{N}{m \cdot A} = 1\frac{kg}{A \cdot s^2} $
Trong thực tế, đơn vị Tesla khá lớn, nên người ta thường dùng đơn vị nhỏ hơn là militesla (mT) hoặc microtesla (μT).
Ví dụ:
- Từ trường Trái Đất có cảm ứng từ khoảng $50,\mu T$.
- Nam châm điện trong động cơ có cảm ứng từ vài Tesla.
6. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực từ
Dựa vào công thức $F = BIL\sin\alpha$, ta nhận thấy lực từ phụ thuộc vào bốn yếu tố:Cảm ứng từ $B$:
- Cảm ứng từ càng lớn → lực từ càng mạnh.
- Trong từ trường đều, $B$ là hằng số tại mọi điểm.
- Dòng điện càng mạnh → lực từ càng lớn.
- Đây là cơ sở để điều chỉnh lực trong các thiết bị điện như rơ-le, động cơ điện.
Góc hợp $\alpha$ giữa $\overrightarrow{B}$ và dây dẫn: Khi $\alpha$ tăng từ 0° đến 90°, giá trị $\sin\alpha$ tăng dần → lực từ tăng theo.
7. Từ trường đều và lực từ
Từ trường đều là loại từ trường có véc-tơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ cùng phương, cùng chiều và cùng độ lớn tại mọi điểm.Trong loại từ trường này, lực từ tác dụng lên dây dẫn có độ lớn không đổi nếu dòng điện, chiều dài dây và góc $\alpha$ giữ nguyên.
Ví dụ: Một đoạn dây dẫn dài $0,2,m$ mang dòng điện $2,A$ đặt vuông góc trong từ trường đều có $B = 0,5,T$.
Ta có: $ F = BIL\sin\alpha = 0,5 \times 2 \times 0,2 \times \sin 90° = 0,2,N $
Vậy lực từ tác dụng lên đoạn dây là 0,2 newton.
8. Ứng dụng của lực từ trong đời sống
Hiện tượng lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện là nền tảng cho nhiều thiết bị điện trong thực tế:- Động cơ điện: hoạt động dựa trên lực từ làm quay cuộn dây hoặc rotor.
- Loa điện: dòng điện trong cuộn dây tác dụng lực từ làm rung màng loa.
- Máy phát điện: hoạt động ngược lại – dùng lực cơ để tạo dòng điện.
- Rơ-le điện từ: lực từ hút tiếp điểm để đóng/mở mạch điện.
9. Ghi nhớ và công thức quan trọng
| Nội dung | Biểu thức | Ghi chú |
|---|---|---|
| Lực từ tác dụng lên dây dẫn | $F = BIL\sin\alpha$ | Độ lớn lực từ |
| Cảm ứng từ | $B = \frac{F}{I L \sin\alpha}$ | Độ mạnh yếu của từ trường |
| Đơn vị cảm ứng từ | $1T = \frac{1N}{1A \cdot 1m}$ | Tesla |
| Quy tắc xác định chiều lực từ | Bàn tay trái | Ngón cái chỉ chiều $\overrightarrow{F}$ |
| Khi $\alpha = 90^\circ$ | $F = BIL$ | Lực từ cực đại |
10. Liên hệ mở rộng
- Hiện tượng lực từ lên dây dẫn có mối liên hệ chặt chẽ với lực Lorenxơ (lực tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường), được trình bày trong bài 16.
- Sự tương tác giữa dòng điện và từ trường cũng chính là cơ sở của nguyên lý hoạt động máy điện quay, được tìm hiểu sâu hơn trong chương Cảm ứng điện từ.
11. Kết luận
Qua bài học này, ta nắm được rằng:- Dòng điện trong dây dẫn đặt trong từ trường chịu tác dụng của lực từ, có độ lớn $F = BIL\sin\alpha$.
- Chiều của lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
- Cảm ứng từ $B$ là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh của từ trường, có đơn vị là Tesla (T).
Chỉnh sửa cuối:
