Bài 2. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ trang 58, 59, 60 Vật Lí 12 Cánh diều

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta hãy thực hiện so sánh giữa tác dụng lực của điện trường và từ trường đối với một điện tích $q$:

1. Trong điện trường: Khi đặt một điện tích $q$ vào điện trường, nó chịu tác dụng của lực điện $\vec{F}_e$. Công thức tính lực là: $\vec{F}_e = q\vec{E}$. Trong đó, $\vec{E}$ là cường độ điện trường. Ta thấy lực $\vec{F}_e$ tỉ lệ thuận với $\vec{E}$. Do đó, cường độ điện trường $\vec{E}$ là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường.

2. Trong từ trường: Khi một điện tích $q$ chuyển động với vận tốc $\vec{v}$ trong từ trường, nó chịu tác dụng của lực từ (lực Lorentz) $\vec{F}_m$. Công thức tính lực là: $\vec{F}_m = q(\vec{v} \times \vec{B})$. Trong đó, $\vec{B}$ là vectơ cảm ứng từ.

Ta thấy lực $\vec{F}_m$ phụ thuộc vào vận tốc $\vec{v}$ của điện tích và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Trong đó, $\vec{B}$ là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu và chiều của từ trường tại một điểm.

Kết luận: Đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của từ trường là Cảm ứng từ (kí hiệu là $\vec{B}$). Đơn vị đo của cảm ứng từ trong hệ SI là Tesla (T).

Chiều của lực điện tác dụng lên một điện tích đặt trong điện trường được xác định dựa trên dấu của điện tích đó như sau:

1. Đối với điện tích dương (\( q > 0 \)): Lực điện \( \vec{F} \) cùng chiều với vectơ cường độ điện trường \( \vec{E} \).
2. Đối với điện tích âm (\( q < 0 \)): Lực điện \( \vec{F} \) ngược chiều với vectơ cường độ điện trường \( \vec{E} \).

Kết luận: Lực điện tác dụng lên điện tích dương có chiều cùng với cường độ điện trường, còn lực điện tác dụng lên điện tích âm có chiều ngược với cường độ điện trường.

Dựa trên các kết quả thí nghiệm, hướng của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện được xác định bằng Quy tắc bàn tay trái như sau:

Về mặt bản chất vật lí, lực từ $\vec{F}$ luôn có phương vuông góc với cả phương của dòng điện $\vec{I}$ và phương của cảm ứng từ $\vec{B}$.

Ví dụ áp dụng: Nếu một đoạn dây dẫn đặt nằm ngang, dòng điện chạy từ trái sang phải và từ trường hướng vuông góc từ trên xuống dưới mặt bàn, thì theo quy tắc bàn tay trái, lực từ sẽ tác dụng lên đoạn dây theo hướng từ trước ra sau (hoặc ngược lại tùy theo chiều cụ thể của $\vec{B}$).

Kết luận: Để xác định hướng lực từ, ta cần biết chính xác chiều của dòng điện và chiều của cảm ứng từ, sau đó áp dụng quy tắc bàn tay trái một cách chính xác.

Dựa trên mô tả thí nghiệm, ta phân tích chi tiết quá trình tìm phương của lực từ như sau:

1. Phân tích vai trò của dụng cụ:

• Nam châm (2): Tạo ra từ trường đều $\vec{B}$ trong khoảng không gian giữa hai cực N và S.
• Khung dây (1): Chứa đoạn dây dẫn AB chịu tác dụng của lực từ.
• Lò xo (3) và Giá treo (4): Giúp treo khung dây ở trạng thái cân bằng, cho phép khung dây di chuyển tự do theo phương thẳng đứng để dễ dàng quan sát chiều của lực từ.
• Nguồn điện (5): Cung cấp dòng điện $I$ chạy qua đoạn dây AB.

2. Phân tích hiện tượng vật lí:

• Thiết lập: Đoạn dây AB nằm ngang và vuông góc với đường sức từ $\vec{B}$ (đường sức từ chạy từ cực Bắc N sang cực Nam S). Như vậy, $\vec{B}$ và $\vec{I}$ cùng nằm trong mặt phẳng nằm ngang.
• Khi dòng điện chạy từ A đến B: Quan sát thấy khung dây bị kéo thẳng đứng xuống dưới. Vì khung dây chỉ có thể di chuyển theo phương thẳng đứng (do cách treo), điều này chứng tỏ lực từ $\vec{F}$ tác dụng lên đoạn AB có phương thẳng đứng và chiều hướng xuống.
• Khi đổi chiều dòng điện (từ B đến A): Theo lý thuyết, khi $\vec{I}$ đổi chiều trong khi $\vec{B}$ không đổi, lực $\vec{F}$ sẽ đổi chiều. Khi đó, khung dây sẽ bị đẩy thẳng đứng lên trên.

3. Kết luận:

Từ kết quả thí nghiệm, ta rút ra kết luận quan trọng về phương của lực từ: Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây dẫn và vectơ cảm ứng từ. Điều này hoàn toàn phù hợp với quy tắc bàn tay trái trong vật lí.

Phân tích từng trường hợp trong Hình 2.4:

1. Trường hợp (a):
Dòng điện $I$ chạy song song với các đường sức từ $\vec{B}$ (góc $\theta = 0^\circ$ hoặc $180^\circ$). Khi đó $\sin\theta = 0$, dẫn đến lực từ $F = 0$. Vậy trong trường hợp (a) không có lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn.

2. Trường hợp (b):
Dòng điện $I$ vuông góc với các đường sức từ $\vec{B}$ ($\theta = 90^\circ$). Vì $\sin 90^\circ = 1 \neq 0$ nên có lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn.

• Phương: Vuông góc với cả $\vec{B}$ và $\vec{I}$ (vuông góc với mặt phẳng chứa $\vec{B}$ và $\vec{I}$).
• Chiều: Áp dụng quy tắc bàn tay trái: ngón trỏ hướng sang phải (theo $\vec{B}$), ngón giữa hướng xuống dưới (theo $\vec{I}$), ngón cái sẽ hướng vào trong mặt phẳng hình vẽ.

3. Trường hợp (c):
Dòng điện $I$ có chiều hướng vào trong mặt phẳng hình vẽ, do đó nó cũng vuông góc với các đường sức từ $\vec{B}$ ($\theta = 90^\circ$). Vì $\sin 90^\circ = 1 \neq 0$ nên có lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn.

• Phương: Vuông góc với cả $\vec{B}$ và $\vec{I}$.
• Chiều: Áp dụng quy tắc bàn tay trái: ngón trỏ hướng sang phải (theo $\vec{B}$), ngón giữa hướng vào trong mặt phẳng hình vẽ (theo $\vec{I}$), ngón cái sẽ hướng xuống dưới.

Kết luận: Lực từ xuất hiện trong trường hợp (b) và (c). Trong trường hợp (b), lực từ hướng vào trong mặt phẳng hình vẽ; trong trường hợp (c), lực từ hướng xuống dưới.

Giả sử chúng ta có hai dây dẫn thẳng song song mang dòng điện $I_1$ và $I_2$ cùng chiều hướng lên trên (theo mô tả phổ biến của Hình 2.5 trong SGK).

Bước 1: Xét tác dụng của dòng điện $I_1$ lên dòng điện $I_2$

• Áp dụng quy tắc nắm tay phải cho dòng điện $I_1$: Ngón cái choãi ra chỉ theo chiều dòng điện $I_1$, các ngón còn lại khum lại. Tại vị trí của dây dẫn 2, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}_1$ do $I_1$ gây ra có phương vuông góc với mặt phẳng chứa hai dây dẫn và có chiều hướng vào trong mặt phẳng hình vẽ.
• Áp dụng quy tắc bàn tay trái cho dòng điện $I_2$ trong từ trường $\vec{B}_1$: Đặt bàn tay trái sao cho các ngón tay khum lại theo chiều dòng điện $I_2$ (hướng lên), lòng bàn tay hứng các đường sức từ $\vec{B}_1$ (hướng vào trong). Khi đó, ngón cái choãi ra $90^\circ$ sẽ chỉ chiều của lực từ $\vec{F}_{12}$, chiều này hướng về phía dây dẫn 1.

Bước 2: Xét tác dụng của dòng điện $I_2$ lên dòng điện $I_1$

• Tương tự, áp dụng quy tắc nắm tay phải cho $I_2$, tại vị trí dây dẫn 1, $\vec{B}_2$ có chiều hướng ra ngoài mặt phẳng hình vẽ.
• Áp dụng quy tắc bàn tay trái cho $I_1$ trong từ trường $\vec{B}_2$, ta thấy lực từ $\vec{F}_{21}$ hướng về phía dây dẫn 2.

Kết luận: Vì $\vec{F}_{12}$ hướng về dây 1 và $\vec{F}_{21}$ hướng về dây 2 nên hai dòng điện thẳng song song cùng chiều sẽ hút nhau. Nếu hai dòng điện ngược chiều, kết quả sẽ ngược lại (đẩy nhau).

Phân tích sơ đồ thí nghiệm (Hình 2.6 trong SGK Vật lí 12 Cánh diều):

1. Xác định chiều của cảm ứng từ $\vec{B}$: Theo sơ đồ, từ trường được tạo ra bởi nam châm với đường sức từ đi từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S). Trong mô hình này, $\vec{B}$ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây dẫn và hướng từ trước ra sau (hoặc đi vào mặt phẳng hình vẽ tùy theo cách bố trí cực nam châm, nhưng thông thường trong bài này $\vec{B}$ được quy ước hướng vào trong).

2. Xét các trường hợp dòng điện:

• Trường hợp 1: Dòng điện $I$ đi từ trái sang phải. Áp dụng quy tắc bàn tay trái: Ngón tay hướng sang phải, lòng bàn tay hứng $\vec{B}$ (hướng vào), ngón cái sẽ hướng lên trên. Khi đó, lực từ $\vec{F}$ hướng lên, đối kháng với trọng lực, làm số chỉ của cân giảm đi.
• Trường hợp 2: Dòng điện $I$ đi từ phải sang trái. Áp dụng quy tắc bàn tay trái: Ngón tay hướng sang trái, lòng bàn tay hứng $\vec{B}$ (hướng vào), ngón cái sẽ hướng xuống dưới. Khi đó, lực từ $\vec{F}$ cùng chiều với trọng lực, làm tăng lực ép lên đĩa cân, khiến số chỉ của cân tăng lên.

Kết luận: Khi dòng điện đi theo chiều từ phải sang trái thì số chỉ của cân sẽ tăng lên so với khi chưa có dòng điện trong khung dây.

1. Sơ đồ phân tích hiện tượng vật lí:

2. Tính toán chi tiết:

Thông số cố định:
Chiều dài dây: l = 10 cm = 0,1 m
Gia tốc trọng trường: g = 9,8 m/s²

Áp dụng công thức: B = (m * g) / (I * l)

3. Xác định kết quả cuối cùng:

- Giá trị trung bình của cảm ứng từ:
\nB̅ = (B₁ + B₂ + B₃) / 3 = (0,1643 + 0,1552 + 0,1462) / 3 ≈ 0,1552 (T)

- Sai số tuyệt đối của từng lần đo:
\n$\Delta B_1 = |0,1552 - 0,1643| = 0,0091 (T)$
\n$\Delta B_2 = |0,1552 - 0,1552| = 0,0000 (T)$
\n$\Delta B_3 = |0,1552 - 0,1462| = 0,0090 (T)$

- Sai số tuyệt đối trung bình:
\nΔB = (0,0091 + 0,0000 + 0,0090) / 3 ≈ 0,0060 (T)

Kết luận:
Giá trị cảm ứng từ đo được là: B = 0,155 ± 0,006 (T)

Trong thí nghiệm xác định lực từ, một đoạn dây dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường của một nam châm (thường là nam châm hình chữ U) và được gắn vào một chiếc cân điện tử theo phương thẳng đứng.

Lập luận chi tiết:

1. Khi chưa cho dòng điện chạy qua dây dẫn: Cân chỉ hiển thị trọng lượng thực của đoạn dây dẫn và các phụ kiện gắn kèm, ký hiệu là $P$.
2. Khi cho dòng điện $I$ chạy qua: Theo quy tắc bàn tay trái, đoạn dây dẫn chịu tác dụng của lực từ $\vec{F}_t$. Trong thí nghiệm này, thiết bị được điều chỉnh sao cho $\vec{F}_t$ có phương thẳng đứng (cùng phương với trọng lực $\vec{P}$).
3. Phân tích lực:\n- Nếu $\vec{F}_t$ hướng xuống dưới (cùng chiều với $\vec{P}$): Cân sẽ chịu một lực nén tổng hợp là $F_{nén} = P + F_t$. Khi đó, số chỉ của cân tăng lên.\n- Nếu $\vec{F}_t$ hướng lên trên (ngược chiều với $\vec{P}$): Cân sẽ chịu một lực nén là $F_{nén} = P - F_t$. Khi đó, số chỉ của cân giảm đi.
4. Kết luận: Độ biến thiên số chỉ của cân ($\Delta P = |P' - P|$) chính bằng độ lớn của lực từ $F_t$.

Vì vậy, thông qua việc theo dõi sự thay đổi số chỉ của cân khi bật/tắt dòng điện hoặc thay đổi cường độ dòng điện, ta có thể xác định chính xác độ lớn của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn.

Tóm tắt đề bài:
$-$ Chiều dài dây dẫn: $L = 50\text{ cm} = 0,5\text{ m}$.
$-$ Cảm ứng từ: $B = 5,0\text{ mT} = 5,0 \times 10^{-3}\text{ T}$.
$-$ Số electron đi qua trong 1 giây: $n = 10^{18}\text{ e/s} \Rightarrow \Delta t = 1\text{ s}$.
$-$ Điện tích electron: $e = 1,6 \times 10^{-19}\text{ C}$.
$-$ Góc $\theta = 90^\circ$.

a) Tính cường độ dòng điện $I$:
Điện tích của $10^{18}$ electron đi qua tiết diện dây dẫn trong 1 giây là:
$\Delta q = n \cdot e = 10^{18} \cdot 1,6 \times 10^{-19} = 0,16\text{ C}$.
Cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn là:
$I = \frac{\Delta q}{\Delta t} = \frac{0,16}{1} = 0,16\text{ A}$.

b) Tính độ lớn lực từ tác dụng lên dây dẫn:
Vì dây dẫn đặt vuông góc với từ trường ($\theta = 90^\circ$), áp dụng công thức tính lực từ:
$F = B I L \sin 90^\circ = B I L$
Thay số vào ta có:
$F = (5,0 \times 10^{-3}) \cdot 0,16 \cdot 0,5$
$F = 5,0 \times 10^{-3} \cdot 0,08$
$F = 4,0 \times 10^{-4}\text{ N}$.

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

Dưới đây là phương án chi tiết để thực hiện thí nghiệm đo cảm ứng từ của một dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài.

1. Dụng cụ thí nghiệm

• Một nguồn điện một chiều (DC) có thể điều chỉnh cường độ dòng điện.
• Hai đoạn dây dẫn (một đoạn cố định để tạo từ trường, một đoạn đặt trên cân để đo lực).
• Một ampe kế để đo cường độ dòng điện $I$.
• Một cân điện tử có độ nhạy cao (đo được đến $0,01\text{g}$ hoặc $0,001\text{g}$).
• Thước đo độ dài, đồng hồ bấm giờ (nếu cần).
• Các dây nối và công tắc.

2. Sơ đồ lắp đặt

3. Các bước tiến hành

1. Chuẩn bị: Đặt đoạn dây dẫn 2 lên bàn cân điện tử, điều chỉnh cân về giá trị 0 (Tare).
2. Thiết lập: Đặt đoạn dây dẫn 1 song song với dây dẫn 2 ở một khoảng cách $r$ xác định. Đảm bảo dây dẫn 1 không chạm vào cân.
3. Cấp điện: Cho dòng điện $I_1$ chạy qua dây dẫn 1 để tạo ra từ trường $B$ tại vị trí của dây dẫn 2.
4. Đo lường: Cho dòng điện $I_2$ chạy qua dây dẫn 2. Khi đó, dây dẫn 2 sẽ chịu tác dụng của lực từ $F$ (hút hoặc đẩy tùy chiều dòng điện).
5. Ghi số liệu: Ghi lại độ biến thiên khối lượng $\Delta m$ hiển thị trên cân. Lực từ được tính bằng: $F = \Delta m \cdot g$ (với $g \approx 9,8\text{ m/s}^2$).
6. Thay đổi thông số: Thay đổi $I_2$ hoặc khoảng cách $r$ để thực hiện nhiều lần đo, lấy giá trị trung bình để tăng độ chính xác.

4. Tính toán và Kết luận

Sử dụng công thức lực Ampère, ta tính cảm ứng từ $B$ do dây dẫn 1 gây ra tại vị trí dây dẫn 2:

$$B = \frac{\Delta m \cdot g}{I_2 \cdot L}$$, với $L$ là chiều dài phần dây dẫn 2 nằm trong từ trường của dây 1.

Kết luận: Bằng cách đo lực từ tác dụng lên một dây dẫn thứ hai, ta có thể xác định được giá trị cảm ứng từ $B$ của dòng điện ban đầu một cách gián tiếp nhưng chính xác thông qua các dụng cụ đo lường cơ bản tại trường.