Ví dụ: Luyện tập: Điện từ

Bài: Luyện tập: Điện từ (Ví dụ minh họa từng bước)

Giới thiệu

Trong chương "Điện từ", chúng ta đã tìm hiểu về từ trường, lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện, và cảm ứng từ. Để củng cố kiến thức, bài học hôm nay sẽ tập trung vào việc luyện tập thông qua các ví dụ cụ thể. Các em sẽ được hướng dẫn giải bài tập từng bước một cách chi tiết, rõ ràng, giúp các em tự tin hơn khi làm bài kiểm tra.

Lý thuyết cần nhớ (Tóm tắt nhanh)

Trước khi đi vào ví dụ, chúng ta hãy nhắc lại một số công thức quan trọng:

• Cảm ứng từ do dòng điện thẳng dài vô hạn gây ra tại một điểm cách dây khoảng r (mét): B = 2 × 10⁻⁷ × I / r (đơn vị: Tesla - T)
• Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn dài l (mét) có dòng điện I (Ampe) đặt trong từ trường đều: F = B × I × l × sin α (đơn vị: Newton - N). Trong đó α là góc tạo bởi dây dẫn và vectơ cảm ứng từ.
• Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện, thì ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều lực từ.

Ví dụ minh họa từng bước

Ví dụ 1: Một dây dẫn thẳng dài vô hạn đặt trong không khí. Dòng điện chạy qua dây có cường độ I = 5 A. Hãy xác định cảm ứng từ tại điểm M cách dây dẫn một đoạn r = 10 cm.

Bước 1: Xác định các đại lượng đã cho.

• Cường độ dòng điện: I = 5 A
• Khoảng cách: r = 10 cm = 0,1 m (cần đổi sang mét để tính toán chính xác)

Bước 2: Chọn công thức phù hợp.

Vì dây dẫn thẳng dài vô hạn, ta dùng công thức tính cảm ứng từ: B = 2 × 10⁻⁷ × I / r

Bước 3: Thay số và tính toán.

B = 2 × 10⁻⁷ × (5) / (0,1) = 2 × 10⁻⁷ × 50 = 10 × 10⁻⁶ T = 1 × 10⁻⁵ T

Bước 4: Kết luận.

Vậy, cảm ứng từ tại điểm M có độ lớn là 1 × 10⁻⁵ T.

Ví dụ 2: Một đoạn dây dẫn dài l = 0,2 m, mang dòng điện I = 2 A, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T. Dây dẫn hợp với vectơ cảm ứng từ một góc α = 30°. Tính lực từ tác dụng lên đoạn dây.

Bước 1: Xác định các đại lượng.

• Chiều dài đoạn dây: l = 0,2 m
• Dòng điện: I = 2 A
• Cảm ứng từ: B = 0,5 T
• Góc hợp bởi dây dẫn và vectơ từ trường: α = 30°

Bước 2: Chọn công thức.

Lực từ được tính bằng công thức: F = B × I × l × sin α

Bước 3: Thay số và tính.

Ta có sin 30° = 0,5

=> F = 0,5 × 2 × 0,2 × 0,5 = 0,5 × 2 × 0,1 = 0,5 × 0,2 = 0,1 N

Bước 4: Kết luận.

Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn là 0,1 N.

Ví dụ 3: Dùng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều của lực từ trong trường hợp sau: Dòng điện chạy trong dây dẫn có chiều từ trên xuống dưới, từ trường có phương nằm ngang, hướng từ phải sang trái. (Coi dây đặt vuông góc với mặt phẳng hình vẽ)

Bước 1: Xác định các yếu tố.

• Chiều dòng điện (I): từ trên xuống dưới.
• Chiều đường sức từ (B): từ phải sang trái.

Bước 2: Áp dụng quy tắc bàn tay trái.

Xoay bàn tay trái sao cho:

• Lòng bàn tay hướng về phía đón các đường sức từ: Vì B hướng từ phải sang trái, hướng vào lòng bàn tay. Ta đặt bàn tay trái sao cho lòng bàn tay hứng lấy đường sức, tức là quay lòng bàn tay về phía trái.
• Bốn ngón tay chỉ chiều dòng điện: Chiều từ cổ tay đến ngón tay phải đi từ trên xuống dưới.
• Ngón tay cái choãi ra 90°: Lúc này, ngón tay cái sẽ chỉ hướng từ trước ra sau (hoặc từ trong ra ngoài tùy cách vẽ).

Bước 3: Kết luận.

Vậy lực từ F có chiều hướng từ trước ra sau mặt phẳng (hoặc từ trong hướng ra ngoài).

Bài tập gợi ý (Tự luyện tập)

1. Một dây dẫn thẳng dài có dòng điện I = 10 A. Tính cảm ứng từ tại điểm cách dây 20 cm.
2. Đoạn dây dẫn dài 0,5 m đặt trong từ trường đều B = 0,2 T, dòng điện chạy qua dây là 3 A. Góc giữa dây và từ trường là 60°. Tính lực từ.
3. Một khung dây hình chữ nhật có kích thước 2 cm × 3 cm, mang dòng điện 0,5 A, đặt trong từ trường đều 0,1 T sao cho mặt phẳng khung song song với các đường sức từ. Tính lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung.