Câu hỏi mở đầu trang 61

Đề bài: 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:

Lực từ $\vec{F}$ tác dụng lên đoạn dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường có các đặc điểm:

• Điểm đặt: tại trung điểm của đoạn dây mang dòng điện.
• Phương: vuông góc với cả đoạn dây dẫn mang dòng điện $\vec{I}$ và với vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$.
• Chiều: xác định theo quy tắc bàn tay trái.
• Độ lớn: $F = BIL\sin\alpha$, trong đó $\alpha$ là góc hợp bởi $\vec{I}$ và $\vec{B}$.

I. Thí nghiệm về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện

Hoạt động trang 61

Đề bài: Thí nghiệm về lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện (thiết bị được bố trí như Hình 15.1). 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. Khi đóng công tắc điện, khung dây bị lệch khỏi vị trí ban đầu.

Giải thích: Cạnh dưới của khung dây nằm trong từ trường của nam châm điện. Khi có dòng điện chạy qua, cạnh dưới này chịu tác dụng của lực từ → đẩy khung dây lệch đi.

2. Cách xác định các chiều:

• Chiều cảm ứng từ $\vec{B}$ trong lòng nam châm điện: dựa vào đèn chỉ hướng từ trường (12) → cho biết chiều của $\vec{B}$.
• Chiều dòng điện I trong khung dây: dòng điện đi ra từ cực dương của nguồn, đi qua khung dây rồi trở về cực âm.
• Chiều lực từ $\vec{F}$: trùng với chiều chuyển động của khung dây (vì lực từ là lực làm khung dây lệch đi).

3. Dự đoán:

• Nếu đổi chiều dòng điện qua nam châm điện → chiều $\vec{B}$ đổi ngược → chiều lực từ đổi ngược → khung dây lệch theo chiều ngược lại.
• Nếu đổi chiều dòng điện qua khung dây → chiều $\vec{I}$ đổi ngược → chiều lực từ đổi ngược → khung dây cũng lệch theo chiều ngược lại.

4. Cách xác định chiều lực từ: sử dụng quy tắc bàn tay trái.

Đặt bàn tay trái sao cho vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay trùng với chiều dòng điện $I$, thì ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ $\vec{F}$.

Hoạt động trang 62

Đề bài: Sử dụng quy tắc bàn tay trái để kiểm chứng chiều của lực từ tác dụng lên thanh kim loại $M_1M_2$ trong Hình 15.2.

Lời giải:

Trên Hình 15.2, thanh $M_1M_2$ đặt giữa hai cực của nam châm hình chữ U:

• Vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) (từ trái sang phải trong khoảng giữa hai cực).
• Dòng điện $I$ chạy qua thanh $M_1M_2$ có chiều xác định trên hình.

Áp dụng quy tắc bàn tay trái:

• Đặt bàn tay trái sao cho $\vec{B}$ hướng vào lòng bàn tay.
• Chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện $I$ trong thanh $M_1M_2$.
• Ngón cái choãi ra 90° → cho biết chiều của lực từ $\vec{F}$.

Kết quả xác định được trùng với chiều $\vec{F}$ trên Hình 15.2 → quy tắc bàn tay trái phù hợp.

Câu hỏi trang 62

Đề bài: 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.

• Hình 15.4a: Dòng điện $I$ hướng thẳng đứng lên trên, cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng nằm ngang sang phải. $\vec{I}$ và $\vec{B}$ vuông góc với nhau.

Áp dụng quy tắc bàn tay trái: đặt lòng bàn tay đón vectơ $\vec{B}$, các ngón hướng theo chiều dòng điện (lên trên) → ngón cái choãi ra chỉ chiều lực từ.

→ Lực từ $\vec{F}$ có phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy, chiều hướng vào trong trang giấy ($\otimes$).

• Hình 15.4b: Dòng điện $I$ hướng vuông góc từ ngoài vào trong trang giấy ($\otimes$), cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng nằm ngang sang phải.

Áp dụng quy tắc bàn tay trái tương tự.

→ Lực từ $\vec{F}$ có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới.

2. Hình 15.4c: Dòng điện $I$ và cảm ứng từ $\vec{B}$ đều nằm ngang, cùng phương và cùng chiều với nhau ($\alpha = 0°$).

→ Không có lực từ tác dụng lên dây dẫn.

Dự đoán: Độ lớn lực từ ngoài phụ thuộc vào $B$, $I$, $L$ còn phụ thuộc vào góc $\alpha$ giữa dòng điện $\vec{I}$ và cảm ứng từ $\vec{B}$.

II. Độ lớn cảm ứng từ

Bài tập luyện tập trang 63

Bài 1

Đề bài: 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 $B = 5 \cdot 10^{-2}$ 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:

Tóm tắt: $L = 1$ m; $I = 3$ A; $B = 5 \cdot 10^{-2}$ T $= 0{,}05$ T; $\alpha = 60°$.

Áp dụng công thức tính độ lớn lực từ:

$$F = BIL\sin\alpha$$

$$F = 0{,}05 \cdot 3 \cdot 1 \cdot \sin 60°$$

$$F = 0{,}15 \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{2} \approx 0{,}13 ; \text{N}$$

Vậy độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn là $F \approx 0{,}13$ N.

Bài 2

Đề bài: 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 $10^{18}$ 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 $|e| = 1{,}60 \cdot 10^{-19}$ C).

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

Lời giải:

Tóm tắt: $L = 50$ cm $= 0{,}5$ m; $B = 5$ mT $= 5 \cdot 10^{-3}$ T; $\alpha = 90°$; $N = 10^{18}$ electron/giây; $|e| = 1{,}60 \cdot 10^{-19}$ C.

a) Cường độ dòng điện qua dây dẫn:

Điện lượng do các electron chuyển qua tiết diện dây trong 1 giây:

$$q = N \cdot |e| = 10^{18} \cdot 1{,}60 \cdot 10^{-19} = 0{,}16 ; \text{C}$$

Cường độ dòng điện:

$$I = \dfrac{q}{t} = \dfrac{0{,}16}{1} = 0{,}16 ; \text{A}$$

b) Độ lớn của lực từ:

Vì dây dẫn vuông góc với từ trường nên $\alpha = 90°$ → $\sin\alpha = 1$.

$$F = BIL\sin\alpha = 5 \cdot 10^{-3} \cdot 0{,}16 \cdot 0{,}5 \cdot 1$$

$$F = 4 \cdot 10^{-4} ; \text{N}$$

Vậy cường độ dòng điện $I = 0{,}16$ A; lực từ tác dụng lên dây dẫn $F = 4 \cdot 10^{-4}$ N.

III. Thực hành đo độ lớn cảm ứng từ

Hoạt động trang 63

Đề bài:

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 $\alpha$ 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 $B = \dfrac{F}{IL\sin\alpha}$, để xác định cảm ứng từ $B$ cần đo các đại lượng:

• Lực từ $F$ (đo bằng lực kế).
• Cường độ dòng điện $I$ (đo bằng ampe kế).
• Chiều dài đoạn dây $L$ trong từ trường (đo bằng thước).
• Góc $\alpha$ giữa đoạn dây và vectơ cảm ứng từ.

b) Nên đặt góc $\alpha = 90°$. Vì:

• Khi đó $\sin\alpha = 1$ → công thức trở thành $B = \dfrac{F}{IL}$, không cần đo góc $\alpha$.
• Lực từ $F$ có giá trị lớn nhất → dễ đo, sai số nhỏ hơn.

c) Các bước tiến hành thí nghiệm:

• Bước 1: Treo khung dây vào đầu đòn cân, sao cho cạnh dưới của khung dây nằm trong lòng nam châm điện.
• Bước 2: Điều chỉnh khung dây vuông góc với vectơ cảm ứng từ ($\alpha = 90°$).
• Bước 3: Điều chỉnh gia trọng và dây căng lực kế sao cho lực kế đo được lực từ.
• Bước 4: Bật công tắc nguồn điện. Điều chỉnh cường độ dòng điện qua nam châm điện ở mức ban đầu $I = 0{,}1$ A. Đọc giá trị lực từ $F$ trên lực kế.
• Bước 5: Thay đổi cường độ dòng điện, mỗi lần tăng $0{,}1$ A. Đọc và ghi lại các cặp giá trị $(I, F)$.
• Bước 6: Tính $B = \dfrac{F}{IL}$ cho mỗi lần đo, sau đó lấy giá trị trung bình.

Hoạt động trang 64

Đề bài:

• Tính $\dfrac{F}{IL}$ 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:

• Kết quả từ Bảng 15.1 (với $L = n\ell = 200 \cdot 0{,}1 = 20$ m; $\alpha = 90°$):

• Giá trị trung bình của cảm ứng từ:

$$\bar{B} = \dfrac{0{,}010 + 0{,}013 + 0{,}012 + 0{,}011}{4} = \dfrac{0{,}046}{4} = 0{,}0115 ; \text{T}$$

• Sai số tuyệt đối trung bình:

$$\Delta \bar{B} = \dfrac{|0{,}010 – 0{,}0115| + |0{,}013 – 0{,}0115| + |0{,}012 – 0{,}0115| + |0{,}011 – 0{,}0115|}{4}$$

$$\Delta \bar{B} = \dfrac{0{,}0015 + 0{,}0015 + 0{,}0005 + 0{,}0005}{4} = 0{,}001 ; \text{T}$$

• Kết quả phép đo: $B = (0{,}0115 \pm 0{,}001)$ T $\approx (11{,}5 \pm 1{,}0) \cdot 10^{-3}$ T.

• Nguyên nhân gây sai số:

• Sai số của dụng cụ đo (ampe kế, lực kế, thước).
• Đọc số chỉ trên các dụng cụ chưa chính xác.
• Từ trường của nam châm điện có thể chưa hoàn toàn đều.
• Khung dây có thể chưa vuông góc chính xác với $\vec{B}$.
• Ma sát ở đòn cân, khung dây dao động.

• Giải pháp giảm sai số:

• Dùng dụng cụ đo có độ chính xác cao hơn.
• Đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình.
• Điều chỉnh cẩn thận để khung dây vuông góc với $\vec{B}$.
• Bố trí thí nghiệm ổn định, tránh rung, tránh dao động.

Em có thể

Giải thích được nguyên tắc hoạt động của tàu đệm từ

Lời giải:

Tàu đệm từ (Maglev) hoạt động dựa trên lực từ giữa các nam châm điện đặt trên tàu và các nam châm điện đặt dưới đường ray. Nguyên tắc bao gồm 2 phần:

• Nâng tàu (đệm từ):

Các nam châm điện gắn trên tàu và trên đường ray được điều khiển sao cho giữa chúng sinh ra lực từ đẩy (hoặc lực từ hút được kiểm soát). Lực này nâng tàu lơ lửng phía trên đường ray, tạo thành một “đệm từ”. Nhờ đó tàu không tiếp xúc trực tiếp với đường ray → giảm gần như hoàn toàn ma sát giữa tàu và đường ray.

• Đẩy tàu tiến lên:

Dọc đường ray có các cuộn dây được cấp dòng điện theo chu kỳ để tạo ra từ trường thay đổi. Lực từ tác dụng lên các nam châm gắn trên tàu (tương tự lực $\vec{F}$ trong công thức $F = BIL\sin\alpha$) sẽ đẩy tàu tiến lên phía trước. Đây chính là nguyên tắc của động cơ điện tuyến tính.

• Ưu điểm:

• Ma sát rất nhỏ nên tàu chạy được với tốc độ rất cao (có thể đạt vài trăm km/h).
• Chuyển động êm ái, ít tiếng ồn.
• Tiết kiệm năng lượng, ít hao mòn do không có tiếp xúc cơ học.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn