Lực tác dụng lên vật dẫn mang dòng điện
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ | mật độ từ thông |
| Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ | quy tắc bàn tay trái Fleming |
| tesla/ˈteslə/ | tesla |
Định nghĩa ẩn giấu bên trong động cơ
- Một dây dẫn mang dòng điện đặt ngang qua từ trường sẽ bị đẩy lệch về phía bên. Mọi động cơ điện từng được chế tạo đều dựa trên hiện tượng đẩy lệch này, được sắp xếp để liên tục lặp lại.
- Hãy xem xét lực tác dụng kỹ lưỡng, ta sẽ rút ra được một kết luận khác. Không ai có thể đo trực tiếp từ trường, nhưng lực này có thể đo được và nó tỷ lệ thuận với $B$.
- Vậy hiệu ứng động cơ không chỉ là một ứng dụng; nó chính là cách mà độ mạnh của từ trường được định nghĩa.
- Bài học này là $F = BIL\sin\theta$, định nghĩa về cảm ứng từ và luật bàn tay trái Fleming.
Lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện
- Một dây dẫn có độ dài $L$ mang dòng điện $I$ ở góc $\theta$ so với trường có cảm ứng từ $B$ sẽ chịu một lực:
- Lực đạt giá trị lớn nhất khi vuông góc, nơi $\sin\theta = 1$ và $F = BIL$, và bằng 0 khi dây nằm dọc theo hướng của trường, nơi $\sin\theta = 0$.
- Lực vuông góc với cả dòng điện lẫn trường, đó là lý do động cơ quay thay vì tự kéo đứt ra.
Lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện trong từ trường là:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Lớn nhất khi dây dẫn vuông góc với từ trường ($\sin 90^{\circ} = 1$, vì $F = BIL$).
Lực tác dụng lên dây dẫn bằng không khi nó nằm dọc theo phương của từ trường.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Khi dây dẫn song song với từ trường, $\theta = 0$ và $\sin\theta = 0$, nên không có lực tác dụng.
Một $0.10\ \text{m}$ dây dẫn mang $2.0\ \text{A}$ ở góc vuông với $0.50\ \text{T}$ từ trường. Lực tác dụng là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$F = BIL = 0.50 \times 2.0 \times 0.10 = 0.10\ \text{N}$.
Cảm ứng từ
- Sắp xếp lại công thức cho dây dẫn vuông góc, phương trình này định nghĩa $B$:
- Cảm ứng từ là lực trên mỗi đơn vị dòng điện, mỗi đơn vị chiều dài đối với dây dẫn đặt vuông góc với trường.
- Đơn vị của nó là tesla: $1\ \text{T} = 1\ \text{N/(A m)}$. Một tesla là trường mạnh; trường Trái Đất khoảng 50 microtesla.
Độ cảm ứng từ được đo bằng đơn vị ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$1\ \text{T} = 1\ \dfrac{\text{N}}{\text{A}\cdot\text{m}}$ — lực trên mỗi đơn vị dòng điện trên mỗi đơn vị chiều dài.
Độ cảm ứng từ là gì?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
B = F/(IL) đối với dây dẫn vuông góc, tính bằng tesla. Định nghĩa này trực tiếp xuất phát từ lực hiệu ứng động cơ, đây cũng là cách đo B.
Luật bàn tay trái Fleming
- Đưa ngón cái và hai ngón trỏ của bàn tay trái của bạn tạo thành các góc vuông với nhau.
- Ngón First (ngón trỏ) là Field (trường), ngón Cond (ngón giữa) là Current (dòng điện), ngón thuMb (ngón cái) là lực hoặc Motion (chuyển động).
- Bàn tay trái dùng cho hiệu ứng động cơ, nơi dòng điện sinh ra chuyển động. Bàn tay phải dùng cho hiệu ứng máy phát, nơi chuyển động sinh ra dòng điện, và nếu nhầm lẫn chúng thì mọi câu trả lời đều bị đảo ngược.
Ba đại lượng, ba phương, tất cả đều vuông góc với nhau
Cảm nhận lực tác dụng lên dây dẫn
Dòng điện trong từ trường chịu một lực F = BIL vuông góc với cả hai yếu tố này — đảo ngược dòng điện hoặc lật ngược nam châm thì lực sẽ đảo chiều.
Trong quy tắc bàn tay trái của Fleming, ngón cái chỉ ra:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Ngón trỏ = Từ trường, ngón giữa = Dòng điện, ngón cái = Lực/Chuyển động.
Nối từng ngón tay của quy tắc bàn tay trái Fleming với ý nghĩa đại diện của nó.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
First-Field (Ngón trỏ-Từ trường), seCond-Current (Ngón giữa-Dòng điện), thuMb-Motion (Ngón cái-Chuyển động). Bàn tay trái dùng cho hiệu ứng động cơ; bàn tay phải dùng cho hiệu ứng máy phát điện.
Ví dụ minh họa: lực tác dụng lên dây dẫn
- Một dây dẫn dài $0.10\ \text{m}$ mang dòng $2.0\ \text{A}$ vuông góc với trường có cảm ứng từ $0.25\ \text{T}$. Hãy tính lực, sau đó tính lực nếu quay dây đến $30°$ so với trường.
- Tại góc vuông: $F = BIL = (0.25)(2.0)(0.10) = 0.050\ \text{N}$.
- Tại $30°$: $F = BIL\sin 30° = 0.050 \times 0.5 = 0.025\ \text{N}$, bằng một nửa giá trị trước đó.
- Nếu dây được quay song song với trường thì lực sẽ bằng 0. Góc được đo giữa dây dẫn và trường, không phải giữa dây và bất cứ thứ gì khác.
Một dây dẫn dài 0.10 m mang dòng điện 2.0 A tạo góc 30 độ với từ trường 0.25 T. Lực tác dụng lên dây là bao nhiêu, tính bằng newton?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
F = BIL sin30 = 0.25 x 2.0 x 0.10 x 0.5 = 0.025 N, bằng một nửa giá trị khi vuông góc. Nếu song song với từ trường thì lực sẽ bằng không.
Hai dòng điện song song
- Mỗi dây dẫn nằm trong trường của dây kia, nên mỗi dây đều chịu một lực. Áp dụng luật bàn tay trái hai lần và kết quả sẽ đối xứng.
- Dòng điện cùng hướng sẽ hút nhau. Dòng điện ngược hướng sẽ đẩy nhau.
- Điều này đáng nhớ vì nó ngược lại với hành vi của điện tích: điện tích giống nhau đẩy nhau, nhưng dòng điện giống nhau lại hút nhau.
Hai dây dẫn song song mang dòng điện cùng chiều sẽ hút lẫn nhau.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Mỗi dây dẫn đều nằm trong từ trường của dây kia; áp dụng quy tắc bàn tay trái cho mỗi dây dẫn sẽ thấy chúng hút nhau. Điều này ngược lại với các điện tích cùng dấu, vốn đẩy nhau.
Ví dụ minh họa: đo từ trường
- Một dây cứng trên cân đĩa mang dòng điện đi qua từ trường. Giải thích cách thiết bị này đo $B$.
- Dây dẫn được đặt vuông góc với trường, nên lực là $F = BIL$.
- Nam châm đặt trên cân, và theo định luật thứ ba của Newton, lực tác dụng lên nam châm bằng và ngược chiều với lực tác dụng lên dây dẫn, nên chỉ số cân thay đổi $F/g$ kg.
- Sau đó tính $B = F/(IL)$, sử dụng lực đo được, dòng điện từ ampe kế và chiều dài dây thực sự nằm trong trường.
- Chi tiết cuối cùng là mấu chốt khiến nhiều người nhầm lẫn: $L$ chính là phần chiều dài nằm bên trong trường, không phải toàn bộ dây.
Sắp xếp các bước đo độ cảm ứng từ bằng cân dòng điện theo thứ tự đúng.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
Định luật III Newton là cơ sở để cân cảm nhận được phản lực tác dụng lên dây dẫn. L là chiều dài phần nằm trong từ trường, không phải toàn bộ dây dẫn.
Điểm số dễ mất
- $\theta$ là góc giữa dây dẫn và trường. Lực bằng 0 khi chúng song song, chứ không phải cực đại.
- $L$ là chiều dài dây nằm trong trường.
- Dùng tay trái cho hiệu ứng động cơ, tay phải cho hiệu ứng máy phát. Hãy nói rõ bạn đang áp dụng loại nào.
- Dòng điện song song cùng hướng sẽ hút nhau, điều này trái ngược với tương tác giữa các điện tích giống nhau.
Bạn đã nắm vững
- $F = BIL\sin\theta$: cực đại ở góc vuông, bằng 0 dọc theo trường, và lực vuông góc với cả dòng điện lẫn trường
- Sắp xếp lại, nó định nghĩa cảm ứng từ: lực trên mỗi đơn vị dòng điện, mỗi đơn vị chiều dài đối với dây dẫn vuông góc, tính bằng tesla
- Luật bàn tay trái Fleming: ngón First Field, ngón Cond Current, ngón thumb Motion, dành cho hiệu ứng động cơ
- dòng điện song song hút nhau khi cùng hướng và đẩy nhau khi ngược hướng