Cùng nhau ôn tập về từ trường

Tiêu đề: Cùng nhau ôn tập về từ trường Fri Feb 01, 2008 9:51 am

1. Phương và chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện

a) Thí nghiệm. Ta đã biết dòng điện đặt trong từ trường thì có lực từ tác dụng lên nó. Bây giờ ta khảo sát vấn đề này một cách chi tiết.

Trước hết ta làm thí nghiệm như hình 48.1. Theo khung dây ABCD vào một đầu đòn cân, cạnh AB của khung nằm trong khoảng không gian giữa hai cực của một nam châm móng ngựa. Trên đĩa ở đầu kia đòn cân ta đặt các quả cân cho cân thăng bằng (H.48.1a).

Sau đó cho dòng điện chạy qua khung (các dây nối với nguồn điện không vẽ trong hình, chiều của dòng điện được chỉ bằng mũi tên trên hình 48.1b). Ta thấy câc mất thăng bằng: bên trái đòn cân bị kéo xuống.

Hiện tượng mất thăng bằng của cân có thể giải thích dễ dàng. Như ta đã biết một dòng điện đặt trong từ trường (ở đây là từ trường của nam châm) sẽ có lực từ tác dụng lên nó. Vì vậy khi cho dòng điện qua khung thì ngoài trọng lượng của khung còn có thêm lực từ tác dụng lên khung. Vì lí do đó cân mất thăng bằng.

Lực từ tác dụng lên khung ABCD là tổng hợp của các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung. Nhưng chỉ có lực từ tác dụng lên cạnh AB là đáng kể. Thí nghiệm sau đây chứng tỏ điều đó.

Ta rút ngắn dây treo, kéo khung lên hơi cao một chút, để cạnh AB nằm ngoài khoảng không giữa hai cực của nam châm. Khi đó ta thấy độ lệch của đòn cân giảm đi rõ rệt.

Từ nhận xét vừa nêu trên ta thấy thí nghiệm trên hình 48.1 thực chất có thể coi là thí nghiệm về lực từ tác dụng lên đoạn dây AB mang dòng điện đặt trong từ trường.

b) Phương của lực từ. Trong thí nghiệm trên hình 48.1b ta đặt nam châm sao cho các đường cảm ứng từ trong khoảng không gian giữa hai cực là các đường nằm ngang. Khung dây được treo sao cho cạnh AB cũng nằm ngang và vuông góc với các đường cảm ứng từ. Thí nghiệm cho biết khi có dòng điện chạy qua, khung không lệch ra khỏi mặt phẳng thẳng đứng chứa khung ở hình 48.1a mà chỉ bị kéo xuống. Điều đó chứng tỏ lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn có phương thẳng đứng.

Từ đó ta có thể rút ra: trong trường hợp này lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây dẫn và đường cảm ứng từ.

c) Chiều của lực từ. Quy tắc bàn tay trái. Thí nghiệm trên hình 48.1b cho biết lực từ tác dụng lên đoạn dây AB có chiều hướng xuống dưới.

Nếu đổi chiều dòng điện hay quay thanh nam châm để đổi chiều các đường cảm ứng từ thì đầu bên trái của đòn cân lại được nâng lên. Điều đó chứng tỏ khi đó lực từ tác dụng lên AB cũng đổi chiều.

Vậy chiều của lực từ tác dụng lên một đoạn dây có liên quan với chiều của dòng điện trong đoạn dây đó và đường cảm ứng từ của từ trường gây ra lực từ.

Từ thí nghiệm hình 48.1b ta thấy chiều của lực từ, chiều dòng điện và chiều đường cảm ứng từ hợp với nhau theo quy tắc sau đây, gọi là quy tắc bàn tay trái:

Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay và chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dòng điện. Khi ngón tay choãi ra sẽ chỉ chiều lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn (H.48.2)

2. Cảm ứng từ

a) Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện. Hãy trở lại thí nghiệm trên hình 48.1b. Muốn cho dây trở lại thăng bằng ta cần đặt thêm các quả cân lên đĩa bên phải. Trọng lượng các quả cân đặt thêm cho ta biết độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây AB.

Bây giờ ta thay đổi cường độ dòng điện trong khung. Nếu i là cường độ dòng điện qua mỗi đoạn dây n là số vòng dây của khung thì I = ni là cường độ dòng điện chạy trong đoạn dây dẫnAB. Thí nghiệm cho biết độ lớn của lực F tác dụng lên đoạn dây dẫn AB tỉ lệ với cường độ dòng điện I.

Sau đó treo khung theo chiều dọc để giảm độ dài đoạn dây dẫn chịu tác dụng của lực từ. Thí nghiệm cho biết lực từ giảm, tỉ lệ với độ dài đoạn dây.

Nhiều thí nghiệm khác cũng đi đến kêt luận tương tự: lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện vừa tỉ lệ với cường độ dòng điện trong đoạn dây, vừa tỉ lệ với độ dài của đoạn dây đó.

Phối hợp cả hai kết quả trên ta có thể nói độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện tỉ lệ với tích . Nói cách khác, nếu ta lập thương số giữa và tích thì thương số đó không phụ thuộc vào cường độ dòng điện và độ dài đoạn dây mang dòng điện.

b) Cảm ứng từ. Ta gặp lại thí nghiệm mô tả ở trên bằng cách đặt cạnh AB một khung ở những vị trí khác nhau trong từ trường của nam châm hay đối với các nam châm khác nhau và xét thương số trong các trường hợp đó. Thí nghiệm cho biết thương số có giá trị khác nhau khi đặt cạnh AB ở trong khoảng giữa hai cực và ngoài khoảng đó. Thương số cũng có giá trị khác nhau đối với các nam châm khác nhau, nghĩa là đối với các từ trường khác nhau.

Từ những nhận xét trên ta thấy có thể lấy thương số làm đại lượng đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện tại một điểm xác định.

Trong trường hợp chung nếu làm thí nghiệm với những đoạn dây dẫn dài mang dòng điện thì ở những điểm khác nhau của đoạn dây dẫn,cảm ứng từ có thể có các giá trị khác nhau. Vì vậy trong những trường hợp đó ta cần dùng đoạn dây dẫn có độ dài đủ nhỏ.

Vậy: cảm ứng từ tại một điểm là đại lượng đo bằng thương số giữa lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có độ dài đủ nhỏ mang dòng điện đặt vuông góc với đường cảm ứng từ tại điểm khảo sát và tích của cường độ dòng điện với độ dài đoạn dây dẫn đó.

c) Vectơ cảm ứng từ. Cảm ứng từ là đại lượng vectơ. Phương của vectơ cảm ứng từ tại một điểm trùng với trục của nam châm thử, còn chiều của vectơ cảm ứng từ là chiều từ cực nam sang cực bắc của nam châm thử nằm cân bằng tại điểm đó.

Độ lớn của vectơ cảm ứng từ, do thói quen ta thường nói gọn là cảm ứng từ. Vectơ cảm ứng từ được kí hiệu là .

Từ khái niệm vectơ cảm ứng từ ta có thể phát biểu một cách chính xác về phương của lực từ như sau: lực từ tác dụng lên một đoạn dây mang dòng điện có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây và vectơ cảm ứng từ (tại điểm đặt đoạn dây).

Ngoài ra đường cảm ứng từ nói, ta cũng có thể phát biểu lại như sau: đường cảm ứng từ là những đường mà tiếp tuyến với nó ở mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ, chiều của nó trùng với vectơ cảm ứng từ tại điểm đó.

Điều này giải thích lí do tại sao những đường cong vẽ được theo phương pháp đã nói có tên ở đường cảm ứng từ.

d) Đơn vị cảm ứng từ: Từ hệ thức ta thấy trong hệ SI nếu đơn vị cảm ứng từ có tên gọi là tesla, kí hiệu là .

Cảm ứng từ 1 là cảm ứng từ rất lớn. Những nam châm hình móng ngựa khá mạnh cũng chỉ có cảm ứng từ khoảng .

Cảm ứng từ của từ trường Trái Đất vào cỡ .

e) Chú thích
- Nhiều khi người ta nói phương và chiều của từ trường. Ta cần hiểu đó là cách nói tắt cho tiện. Thực ra đó là phương và chiều của vectơ cảm ứng từ.
- Một từ trường mà vectơ cảm ứng từ tại mọi điểm đều song song, cùng chiều và có độ lớn như nhau gọi là từ trường đều.

Từ trường trong khoảng giữa hai cực của nam châm hình móng ngựa là từ trường đều. Vì vậy lực từ tác dụng lên các điểm khác nhau của đoạn dây dẫn mang dòng điện trong thí nghiệm (H.48.1) là giống nhau. Do đó đoạn dây mang dòng điện trong thí nghiệm đó không cần phải có độ dài đủ nhỏ.

3. Công thức Ampe

Trong trường hợp cảm ứng từ là đại lượng cho biết thì từ hệ thức ta rút ra công thức tính lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều và vuông góc với đường cảm ứng từ:

(48.1)

Nếu đoạn dây không vuông góc mà làm thành góc với vectơ cảm ứng từ (H.48.3) thì độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây đó được xác định bằng công thức:

(48.2)

Công thức này được gọi là công thức Ampe. Công thức (48.1) trường hợp riêng của công thức (48.2) ứng với góc

Nếu đoạn dây dẫn mang dòng điện được đặt song song với đường cảm ứng từ thì hoặc , hoặc (cả hai trường hợp ta đều có ) và . Vậy khi đoạn dây dẫn đặt song song với đường cảm ứng từ thì không có lực từ tác dụng lên nó.

Các công thức (48.1) và (48.2) còn có thể áp dụng cho trường hợp từ trường không đều, khi đó l là độ dài đủ nhỏ. Phương và chiều của lực từ trong trường hợp đó vẫn được xác định theo mục 1 của bài này.