Bài 15. Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ trang 61, 62, 63 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Lực từ tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường có những đặc điểm cơ bản sau:

1. Về độ lớn: Lực từ (còn gọi là lực Ampere) có độ lớn phụ thuộc vào các yếu tố: cường độ cảm ứng từ $B$ của từ trường, cường độ dòng điện $I$ chạy qua dây dẫn, chiều dài $L$ của đoạn dây nằm trong từ trường và góc $\theta$ hợp bởi dây dẫn và vectơ cảm ứng từ. Công thức tính là: $F = B I L \sin \theta$.

2. Về phương và chiều: Lực từ luôn có phương vuông góc với mặt phẳng chứa dây dẫn và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Để xác định chiều của lực từ, ta sử dụng quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải sao cho các ngón tay khép lại, hướng theo chiều của dòng điện $I$, lòng bàn tay mở ra hứng các đường sức từ $\vec{B}$, khi đó ngón cái choãi ra $90^\circ$ chỉ chiều của lực từ $\vec{F}$.

Kết luận: Lực từ có đặc điểm là luôn vuông góc với cả dòng điện và cảm ứng từ, độ lớn tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và độ mạnh của từ trường, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của các động cơ điện và loa điện.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các yêu cầu của hoạt động thí nghiệm trang 61 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Quan sát và giải thích hiện tượng:

• Hiện tượng: Khi đóng công tắc, khung dây sẽ bị chuyển động (thường là bị đẩy lên trên hoặc kéo xuống dưới tùy vào chiều dòng điện và cực nam châm).
• Giải thích: Cạnh dưới của khung dây dẫn mang dòng điện $I$ nằm trong vùng từ trường $\vec{B}$ của nam châm điện. Theo định luật về lực từ, đoạn dây này chịu tác dụng của lực từ $\vec{F}$. Vì khung dây được treo trên một đòn cân (có khớp nối linh hoạt), lực từ $\vec{F}$ tạo ra một mômen lực hoặc một lực đẩy/kéo trực tiếp khiến khung dây chuyển động.

2. Xác định chiều của các đại lượng:

• Chiều cảm ứng từ $\vec{B}$: Trong lòng nam châm điện, đường cảm ứng từ đi từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S).
• Chiều dòng điện $I$: Được xác định bởi cực của nguồn điện DC nối với khung dây (đi ra từ cực dương và đi về cực âm).
• Chiều lực từ $\vec{F}$: Khi biết chiều của $\vec{B}$ và $I$, ta áp dụng quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ $\vec{B}$ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện $I$, khi đó ngón cái choãi ra $90^\circ$ chỉ chiều của lực từ $\vec{F}$.

3. Dự đoán hiện tượng khi thay đổi:

• Đổi chiều dòng điện chạy qua nam châm điện: Việc này làm đảo ngược cực N và S của nam châm $\rightarrow$ chiều của cảm ứng từ $\vec{B}$ bị đảo ngược $\rightarrow$ chiều lực từ $\vec{F}$ bị đảo ngược $\rightarrow$ khung dây sẽ chuyển động theo hướng ngược lại.
• Đổi chiều dòng điện chạy qua khung dây: Chiều của $\vec{I}$ bị đảo ngược trong khi $\vec{B}$ giữ nguyên $\rightarrow$ chiều lực từ $\vec{F}$ bị đảo ngược $\rightarrow$ khung dây sẽ chuyển động theo hướng ngược lại.

4. Đề xuất cách xác định chiều của lực từ:

Để xác định chiều của lực từ một cách chính xác và nhanh chóng, ta có thể sử dụng một trong hai quy tắc sau:

• Quy tắc bàn tay trái (Fleming): (Như đã mô tả ở mục 2). Đây là quy tắc phổ biến nhất cho các bài toán về lực từ tác dụng lên dây dẫn.
• Quy tắc bàn tay phải (quy tắc lòng bàn tay): Đặt bàn tay phải sao cho các đường sức từ $\vec{B}$ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay hướng theo chiều dòng điện $I$, khi đó ngón cái choãi ra $90^\circ$ chỉ chiều của lực từ $\vec{F}$.

Dựa vào Hình 15.2 trong SGK Vật lí 12 (Kết nối tri thức), ta thực hiện các bước kiểm chứng như sau:

1. Xác định chiều dòng điện ($I$): Dòng điện chạy trong thanh kim loại từ điểm $M_1$ sang điểm $M_2$.
2. Xác định chiều từ trường ($\vec{B}$): Các đường sức từ của nam châm hướng từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S). Trong hình vẽ, các đường sức từ hướng vuông góc với mặt phẳng chứa thanh $M_1M_2$ và đi xuyên vào trong mặt phẳng (biểu diễn bằng các dấu $\times$).
3. Áp dụng quy tắc bàn tay trái:
   - Đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hướng ra ngoài và đón các đường sức từ $\vec{B}$ (tức là lòng bàn tay hướng về phía người quan sát nếu $\vec{B}$ đi vào mặt phẳng, hoặc ngược lại tùy theo cách nhìn, nhưng chuẩn nhất là đường sức từ đâm vào lòng bàn tay).
   - Xòe các ngón tay hướng theo chiều dòng điện từ $M_1$ đến $M_2$.
   - Khi đó, ngón cái choãi ra $90^\circ$ sẽ hướng theo chiều từ dưới lên trên (hoặc hướng ra khỏi mặt phẳng tùy theo vị trí đặt).

Kết luận: Lực từ $\vec{F}$ tác dụng lên thanh kim loại $M_1M_2$ có phương vuông góc với cả thanh dẫn và đường sức từ, chiều hướng từ dưới lên trên (theo mô hình minh họa). Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm trong SGK.

Dựa vào quy tắc bàn tay trái và công thức tính lực từ, ta phân tích các trường hợp như sau:

1. Xác định phương và chiều của lực từ:

• Hình 15.4a: Dòng điện $I$ hướng sang phải, cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng vuông góc đi vào mặt phẳng hình vẽ. Áp dụng quy tắc bàn tay trái, ngón cái hướng lên trên. Vậy lực từ $\vec{F}$ có phương thẳng đứng, chiều hướng lên trên.
• Hình 15.4b: Dòng điện $I$ hướng sang phải, cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng vuông góc đi ra khỏi mặt phẳng hình vẽ. Áp dụng quy tắc bàn tay trái, ngón cái hướng xuống dưới. Vậy lực từ $\vec{F}$ có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới.

2. Trường hợp Hình 15.4c:

• Kết luận: Trong trường hợp này, không có lực từ tác dụng lên dây dẫn (lực từ $F = 0$).
• Giải thích: Vì dây dẫn mang dòng điện đặt song song với các đường sức từ ($\vec{B}$ cùng phương với dòng điện $I$), góc $\theta$ giữa dây dẫn và $\vec{B}$ bằng $0^{\circ}$ (hoặc $180^{\circ}$). Theo công thức $F = B I l \sin \theta$, vì $\sin 0^{\circ} = 0$ nên $F = 0$.
• Dự đoán: Lực từ còn phụ thuộc vào góc $\theta$ giữa dây dẫn mang dòng điện và vectơ cảm ứng từ. Khi $\theta = 90^{\circ}$ (vuông góc), lực từ đạt giá trị cực đại; khi $\theta = 0^{\circ}$ hoặc $180^{\circ}$ (song song), lực từ bằng không.

1. Giải câu 1:

Tóm tắt: $L = 1\text{ m}$, $I = 3\text{ A}$, $B = 5 \cdot 10^{-2}\text{ T}$, $\alpha = 60^\circ$.

Áp dụng công thức tính lực từ: $F = B I L \sin \alpha$

Thay số: $F = 5 \cdot 10^{-2} \cdot 3 \cdot 1 \cdot \sin(60^\circ) = 0,15 \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \approx 0,13\text{ N}$.

Kết luận: Độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn là $0,13\text{ N}$.

2. Giải câu 2:

Tóm tắt: $L = 50\text{ cm} = 0,5\text{ m}$, $B = 5\text{ mT} = 5 \cdot 10^{-3}\text{ T}$, $\alpha = 90^\circ$ (vì dây dẫn đặt vuông góc với từ trường), $n = 10^{18}$ electron/s, $|e| = 1,60 \cdot 10^{-19}\text{ C}$, $t = 1\text{ s}$.

a) Tính cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn:

Cường độ dòng điện được tính theo công thức: $I = \frac{n|e|}{t}$

Thay số: $I = \frac{10^{18} \cdot 1,60 \cdot 10^{-19}}{1} = 0,16\text{ A}$.

b) Tính độ lớn của lực từ tác dụng lên dây dẫn:

Vì dây dẫn đặt vuông góc với từ trường nên $\sin \alpha = \sin(90^\circ) = 1$. Công thức lực từ trở thành: $F = B I L$

Thay số: $F = 5 \cdot 10^{-3} \cdot 0,16 \cdot 0,5 = 4 \cdot 10^{-4}\text{ N}$.

Kết luận: a) Cường độ dòng điện là $0,16\text{ A}$; b) Lực từ tác dụng lên dây dẫn là $4 \cdot 10^{-4}\text{ N}$.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 63 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

a) Các đại lượng cần đo:
Từ công thức B = F / (I • L • sin α), để xác định cảm ứng từ B, ta cần đo 4 đại lượng sau:

• Lực từ F: Thường được đo bằng cách sử dụng cân điện tử (đo độ biến thiên khối lượng Δm, sau đó tính F = Δm • g).
• Cường độ dòng điện I: Đo bằng ampe kế nối tiếp với dây dẫn.
• Chiều dài L: Đo chiều dài đoạn dây dẫn nằm trong vùng từ trường bằng thước đo.
• Góc α: Góc hợp bởi dây dẫn và đường sức từ (xác định qua cách đặt dây dẫn).

b) Lựa chọn góc α:
Nên đặt góc α = 90ˆ.
Giải thích: Vì khi α = 90ˆ thì sin α = 1 (giá trị lớn nhất). Khi đó, lực từ F đạt giá trị cực đại đối với cùng một cường độ dòng điện và chiều dài dây. Việc lực F lớn nhất sẽ giúp phép đo chính xác hơn, giảm sai số tương đối khi đọc giá trị trên cân hoặc thiết bị đo lực.

c) Các bước tiến hành thí nghiệm:

1. Chuẩn bị: Lắp đặt nam châm điện, nguồn điện một chiều, ampe kế và một đoạn dây dẫn (hoặc một thanh kim loại mỏng) gắn vào một cân điện tử nhạy.
2. Bố trí: Đặt đoạn dây dẫn nằm vuông góc (α = 90ˆ) với các đường sức từ của nam châm điện. Đảm bảo toàn bộ chiều dài L của đoạn dây nằm trong vùng từ trường đều.
3. Đo đạc:
   - Bật nguồn điện, điều chỉnh biến trở để thay đổi cường độ dòng điện I.
   - Ghi lại giá trị cường độ dòng điện I từ ampe kế.
   - Ghi lại giá trị lực từ F thông qua độ biến thiên khối lượng hiển thị trên cân.
4. Tính toán: Áp dụng công thức B = F / (I • L) (do sin 90ˆ = 1) để tính giá trị cảm ứng từ B của nam châm điện.
5. Kiểm chứng: Lặp lại thí nghiệm với nhiều giá trị I khác nhau để kiểm tra tính ổn định và lấy giá trị trung bình của B.

Vì câu hỏi yêu cầu tính toán dựa trên Bảng 15.1 (dữ liệu thực tế từ thí nghiệm của học sinh), dưới đây là hướng dẫn chi tiết cách thực hiện. Tôi sẽ giả lập một bộ số liệu điển hình để minh họa cho quy trình tính toán.

1. Tính toán và điền bảng (Ví dụ minh họa)

Giả sử ta có bảng số liệu thực nghiệm với chiều dài dây dẫn \(L = 0,1\text{m}\):

2. Tính giá trị trung bình và sai số

• Giá trị trung bình của B:
  \(\bar{B} = \frac{5,1 \times 10^{-3} + 5,0 \times 10^{-3} + 5,0 \times 10^{-3}}{3} \approx 5,03 \times 10^{-3} \text{ T}\)
• Sai số tuyệt đối trung bình:
  \(\Delta B = \frac{|5,1 - 5,03| + |5,0 - 5,03| + |5,0 - 5,03|}{3} \times 10^{-3} \approx 0,04 \times 10^{-3} \text{ T}\)
• Kết quả:\(B = (5,03 \pm 0,04) \times 10^{-3} \text{ T}\)

3. Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm

• Nhận xét: Giá trị \(\frac{F}{IL}\) trong các lần đo gần như không đổi, chứng tỏ lực từ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và chiều dài dây dẫn, phù hợp với lý thuyết.
• Nguyên nhân gây ra sai số:
  • Do thiết bị: Cân điện tử hoặc dụng cụ đo lực có độ nhạy hạn chế, sai số hệ thống.
  • Do thao tác: Dây dẫn có thể không hoàn toàn vuông góc với đường sức từ (\(\theta \neq 90^\circ\)).
  • Do môi trường: Ảnh hưởng của từ trường Trái Đất hoặc các vật bằng sắt thép xung quanh làm biến dạng đường sức từ của nam châm.
  • Do dòng điện: Cường độ dòng điện \(I\) có thể dao động nhẹ trong quá trình đo.
• Giải pháp giảm sai số:
  • Sử dụng ampe kế và cân đo có độ chính xác cao hơn.
  • Sử dụng thước đo góc để đảm bảo dây dẫn vuông góc tuyệt đối với mặt nam châm.
  • Thực hiện đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình để triệt tiêu sai số ngẫu nhiên.
  • Đặt thí nghiệm xa các vật có từ tính mạnh để tránh nhiễu.