Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên khung dây (hay, chi tiết)

---

---

Bài viết Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên khung dây với phương pháp giải chi tiết giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập Lực từ tác dụng lên khung dây.

Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên khung dây (hay, chi tiết)

A. Phương pháp & Ví dụ

Đường sức từ nằm ngang trong mặt phẳng khung

    + Lực từ tác dụng lên hai đoạn dây AB và CD bằng 0 (vì AB và CD song song với đường sức từ).

    + Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy các lực từ tác dụng lên hai đoạn dây BC và DA như hình vẽ a. Hai lực này hợp thành một ngẫu lực và làm cho khung dây quay quanh trục OO'.

Đường sức từ vuông góc với mặt khung: Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy các lực từ tác dụng lên khung dây như hình vẽ b. Các lực này không có tác dụng làm cho khung quay.

Ví dụ 1: Khung dây hình chữ nhật ABCD có cạnh AB = CD = a = 10 cm, AD = BC = b = 5 cm, có dòng I₂ = 2 A đi qua. Một dòng điện thẳng dài I₁ = 4 A nằm trong mặt phẳng ABCD cách AB một khoảng d = 5 cm như hình vẽ. Tính lực từ tổng hợp do I₁ tác dụng lên khung dây.

Hướng dẫn:

    + Từ trường do dòng I₁ gây nên tại các vị trí nằm trên cạnh khung dây có chiều hướng vào mặt phẳng hình vẽ.

    + Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung dây được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

    + Các lực từ nói trên nằm trong mặt phẳng khung dây nên không gây ra momen làm cho khung quay.

    + Hợp lực tác dụng lên khung dây: $\overrightarrow{F}$ = F₁→ + F₂→ + F₃→ + F₄→

    + Do tính chất đối xứng nên cảm ứng từ do I₁ gây nên tại M và P bằng nhau, nên F₁ và F₃ trực đối ⇒ F₁→ + F₃→ = 0

    + Vậy hợp lực viết gọn lại như sau: $\overrightarrow{F}$ = F₂→ + F₄→

    + Ta có:

    + Vì F₂→ ↑↓ F₄→ ⇒ F = |F₂ - F₄| = 1,6.10^-6 (N)

Ví dụ 2: Khung dây hình chữ nhật có diện tích S = 25 cm² gồm có 10 vòng nối tiếp có cường độ dòng điện I = 2A đi qua mỗi vòng dây. Khung dây đặt thẳng đứng trong từ trường đều có B = 0,3 T. Tính momen lực từ đặt lên khung dây khi:

a) Cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ song song với mặt phẳng khung dây.

b) Cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ vuông góc với mặt phẳng khung dây.

Hướng dẫn:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là: M = N.B.I.S.sinθ

a) Khi cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ song song với mặt phẳng khung dây thì góc θ = 90° nên:

        M = N.B.I.S = 15.10^-3 (N.m)

b) Khi cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ vuông góc với mặt phẳng khung dây thì góc θ = 0° nên:

        N.B.I.S.sin 0° = 0

Ví dụ 3: Một khung dây có kích thước 2cm x 3cm đặt trong từ trường đều. Khung dây gồm 200 vòng. Cho dòng điện có cường độ 0,2A đi vào khung dây. Momem ngẫu lực từ tác dụng lên khung có giá trị lớn nhất bằng 24.10^-4 Nm. Hãy tính cảm ứng từ của từ trường.

Hướng dẫn:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là: M = N.B.I.S.sinθ

Trong biểu thức trên ta thấy:

- N là số vòng dây luôn không đổi.

- B là từ trường đều và cũng không đổi trong quá trình khung quay.

- I là cường độ dòng điện chạy trong khung và được giữ cố định nên cũng không đổi.

- S là diện tích khung dây và diện tích này cũng không đổi khi khung quay.

- là góc hợp bởi giữa vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây. Trong quá trình khung quay thì chỉ có đại lượng này thay đổi vì thế M_max khi và chỉ khi sinθ = 1 nghĩa là = 90°.

Từ những lý luận trên ta có: M_max = NBIS

B. Bài tập

Bài 1: Khung dây hình chữ nhật kích thước AB = a = 10 cm, BC = b = 5 cm gồm có 20 vòng nối tiếp có thể quay quanh cạnh AB thẳng đứng. Khung dây có dòng I = 1A chạy qua và đặt trong từ trường đều có $\overrightarrow{B}$ nằm ngang, ($\overrightarrow{B}$, n→) = 30°, B = 0,5 T. Tính momen lực từ đặt lên khung dây.

Lời giải:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây:

       M = N.B.I.S.sinθ = 20.0,5.1.(10.5.10^-4).sin 30° = 0,025 (Nm)

Bài 2: Một khung dây tròn bán kính 5 cm gồm 75 vòng được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ 0,25 T. Mặt phẳng của khung dây hợp với đường sức từ một góc 60°. Tính momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây. Cho biết mỗi vòng dây có cường độ dòng điện 8 A chạy qua.

Lời giải:

Vì mặt phẳng khung dây hợp với $\overrightarrow{B}$ một góc 60° nên ta có θ = 90° - 60° = 30°

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây:

       M = N.B.I.S.sinθ = 75.0,25.8.(π.0,05²).sin 30° = 0,059 (Nm)

Bài 3: Một khung dây hình chữ nhật ABCD đặt trong từ trường đều cảm ứng từ B = 5.10^-2 T. Cạnh AB của khung dài 3 cm, cạnh BC dài 5 cm. Dòng điện trong khung có cường độ 2A. Tính giá trị lớn nhất của momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung trong 2 trường hợp:

a) Cạnh AB của khung vuông góc còn cạnh BC song song với đường sức từ.

b) Cạnh BC của khung vuông góc còn cạnh AB song song với đường sức từ.

Lời giải:

Ta có: M = B.I.S.sinθ ⇒ M_max khi và chỉ khi sinθ = 1 nên momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây trong 2 trường hợp đều bằng nhau:

       M = B.I.S = 1,5.10^-4 (Nm)

Bài 4: Một khung dây hình vuông CDEG, CD = a được giữ trong từ trường đều như hình vẽ. Vecto cảm từ $\overrightarrow{B}$ song song với các cạnh CD, EG, dòng điện trong khung có cường độ I.

a) Xác định các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung.

b) Tính momen của các lực từ tác dụng lên khung CDEG đối với trục T đi qua tâm hình vuông và song song với cạnh DE. Sau đó tính momen của các lực đối với trục T’ bất kì song song với T.

Lời giải:

a) GE // CD // $\overrightarrow{B}$ nên F_CD = F_GE = 0

    F_CG = F_DE = B.I.a

b) Đối với trục T, 2 lực F_CG→ và F_DE→ làm khung quay cùng chiều (chiều quay quanh trục T) nên:

   

c) Đối với trục T’ 2 lực F_CG→ và F_DE→ làm khung quay ngược (chiều quay quanh trục T) chiều nên:

    M_T' = F_DE(d + a) - F_CG.d = B.I.a²

C. Bài tập bổ sung

Câu 1: Cho một khung dây dẫn hình chữ nhật, kích thước 30 cm x 20 cm, trong có dòng điện I = 5 A; khung được đặt trong một từ trường đều có phương vuông góc với mặt phẳng chứa khung và có độ lớn B = 0,1 T. Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung là

A. F₁ = F₃ = 0,15 N, F₂ = F₄ = 0,1 N.

B. F₁ = F₃ = 0,2 N, F₂ = F₄ = 0,1 N.

C. F₁ = F₃ = 0,15 N, F₂ = F₄ = 0,3 N.

D. F₁ = F₃ = 0,2 N, F₂ = F₄ = 0,3 N.

Câu 2: Đặt khung dây ABCD cạnh một dây dẫn thẳng có dòng điện như hình:

Thanh AB có thể trượt trên thanh DE và CF. Điện trở R không đổi và bỏ qua điện trở của các thanh. AB song song với dòng điện thẳng và chuyển động thẳng đều với vận tốc vuông góc với AB. Dòng điện cảm ứng trong mạch có chiều?

A. Từ A đến B

B. Từ B đến A

C. Không xác định được

D. Không có dòng điện cảm ứng trong mạch

Câu 3: Cho mạch điện như hình vẽ, nguồn có suất điện động E = 1,5V, điện trở trong r = 0,1Ω, thanh MN có chiều dài 1m có điện trở R = 2,9Ω. Từ trường có phương thẳng đứng hướng xuống, vuông góc với mặt phẳng khung như hình vẽ. B = 0,1T.

Khi MN đứng yên, độ lớn lực từ tác dụng lên thanh MN khi đó có giá trị?

A. 0,25 N.

B. 0,5 N.

C. 0,05 N.

D. 0,025 N.

Câu 4: Cho mạch điện như hình vẽ, nguồn có suất điện động E = 1,5V, điện trở trong r = 0,1Ω, thanh MN có chiều dài 1m có điện trở R = 2,9Ω. Từ trường có phương thẳng đứng hướng xuống, vuông góc với mặt phẳng khung như hình vẽ. B = 0,1T.

Khi MN di chuyển về phía bên phải với vận tốc v = 3m/s sao cho hai đầu thanh MN luôn tiếp xúc hai thanh ray ? Tính độ lớn lực từ tác dụng lên thanh MN khi đó.

A. 0,04 N.

B. 0,05 N.

C. 0,01 N.

D. 0,06 N.

Câu 5: Nguyên nhân gây ra suất điện động cảm ứng trong thanh dây dẫn chuyển động trong từ trường là:

A. Lực hóa học tác dụng lên các electron làm các electron dịch chuyển từ đầu này sang đầu kia của thanh

B. Lực Lorenxơ tác dụng lên các electron làm các electron dịch chuyển từ đầu này sang đầu kia của thanh

C. Lực ma sát giữa thanh và môi trường ngoài làm các electron dịch chuyển từ đầu này sang đầu kia của thanh

D. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn không có dòng điện đặt trong từ trường làm các electron dịch chuyển từ đầu này sang đầu kia của thanh

Câu 6: Phát biểu nào sau đây là đúng?

Quy tắc xác định chiều dòng điện của đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường

A. Đặt bàn tay trái hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 90° hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó.

B. Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 90° hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó.

C. Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó.

D. Đặt bàn tay trái hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó.

Câu 7: Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Một thanh dây dẫn chuyển động thẳng đều trong một từ trường đều sao cho thanh luôn nằm dọc theo một đường sức điện thì trong thanh xuất hiện một điện trường cảm ứng

B. Một thanh dây dẫn chuyển động dọc theo một đường sức từ của một từ trường đều sao cho thanh luôn vuông góc với đường sức điện thì trong thanh xuất hiện một điện trường cảm ứng

C. Một thanh dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ của một từ trường đều sao cho thanh luôn vuông góc với đường sức điện thì trong thanh xuất hiện một điện trường cảm ứng

D. Một thanh dây dẫn chuyển động theo một quỹ đạo bất kì trong một từ trường đều sao cho thanh luôn nằm dọc theo các đường sức điện thì trong thanh xuất hiện một điện trường cảm ứng

Câu 8: Dòng điện I = 5A chạy trong khung dây chữ nhật ABCD mặt phẳng khung dây đặt vuông góc trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,02T. Biết AB=15 cm; BC=25 cm. Xác định các véc tơ lực từ do từ trường đều tác dụng lên các cạnh của khung dây.

Câu 9: Dòng điện I = 4A chạy trong khung dây chữ nhật ABCD mặt phẳng khung dây đặt song song với từ trường đều có cảm ứng từ B=0,04T. Biết AB=10 cm; BC=20 cm. Xác định các véc tơ lực từ do từ trường đều tác dụng lên các cạnh của khung dây.

Câu 10: Dòng điện I = 5A chạy trong khung dây tam giác ABC đặt khung dây vào trong từ trường đều B = 5.10^-3 T đường sức từ song song với cạnh AC. Biết AB=8 cm, AC=6 cm. Tính lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây.

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí lớp 11 có trong đề thi THPT Quốc gia khác:

• Lý thuyết Lực từ
• Dạng 1: Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng
• Trắc nghiệm Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng
• Dạng 2: Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn song song
• Trắc nghiệm Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn song song
• Trắc nghiệm Lực từ tác dụng lên khung dây
• 50 bài tập trắc nghiệm Lực từ có đáp án (phần 1)
• 50 bài tập trắc nghiệm Lực từ có đáp án (phần 2)

---

---

---