Lực từ là gì? Công thức tính lực từ (chi tiết nhất)

Bài viết Lực từ là gì? Công thức tính lực từ với phương pháp giải chi tiết giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập Lực từ là gì? Công thức tính lực từ.

Lực từ là gì? Công thức tính lực từ (chi tiết nhất)

1. Lực từ

1.1. Khái niệm lực từ

Lực từ là lực của từ trường tác dụng lên một vật mang hạt điện tích chuyển động (khung dây, đoạn dây, vòng dây tròn có điện...).

1.2. Từ trường đều

Từ trường đều là từ trường mà đặc tính của nó giống nhau ở mọi điểm. Các đường sức từ là những đường thẳng song song, cách đều và cùng chiều nhau.

Từ trường đều có thể được tạo thành giữa hai cực của một nam châm hình chữ U.

1.3. Xác định lực từ do từ trường đều tác dụng lên một đoạn dây dẫn có dòng điện

Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều có cạnh vuông góc với các đường sức từ. Nó vuông góc với đoạn dây dẫn, có độ lớn phụ thuộc vào từ trường và cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn.

1.4. Ứng dụng trong cuộc sống của lực từ

Sản xuất vật gia dụng như bếp từ, cục sạc điện thoại, nam châm điện, máy phát, máy biến thế...

Trong máy tìm kiếm kim loại, phanh hãm điện từ, rơ le điện từ... Nói chúng các thiết bị có cuộn cảm thường áp dụng cảm ứng điện từ.

2. Lực điện từ

Theo mô hình chuẩn của ngành vật lý thì lực điện từ là một trong số bốn nguồn lực cơ bản của tự nhiên. Lực điện từ được mang bởi các photon và chịu trách nhiệm về cấu trúc nguyên tử, lực hút và lực đẩy liên quan đến điện tích và từ tính, các phản ứng hóa học và tất cả các hiện tượng điện từ khác Lực điện từ có biên độ vô hạn và tuân theo định luật bình phương nghịch đảo. Lực điện từ mạnh hơn lực yếu và lực hấp dẫn nhưng yếu hơn lực hạt nhân mạnh.

Đây là lực nằm trong bản chất của hầu hết các loại lực mà con người hiện tại quan sát được trong thực tế cuộc sống hàng ngày (ngoại trừ lực hấp dẫn của trái đất). Hầu hết mọi tương tác giữa các nguyên tử đều có thể quy được về lực điện từ giữa eletron và proton nằm bên trong. Lực này sinh ra:

- Tương tác giữa các phân tử

- Các lực kéo và đẩy khi tiến hành tác động cơ học vào các vật

- Tương tác giữa các quỹ đạo của electron

- Điều khiển các phản ứng hóa học

3. Cảm ứng từ

3.1. Khái niệm cảm ứng từ

Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường và được đo bằng thương số giữa lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt vuông góc với đường cảm ứng từ tại điểm đó và tích của cường độ dòng điện và chiều dài đoạn dây dẫn đó.

$B=\frac{F}{Il}$

3.2. Đơn vị cảm ứng từ

Trong hệ SI đơn vị cảm ứng từ là Tesla (T).

3.3. Véc tơ cảm ứng từ

Véc tơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ tại một điểm có:

- Hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó

- Độ lớn là: $B=\frac{F}{Il}$

3.4. Biểu thức tổng quát của lực từ

Lực từ $\overrightarrow{F}$ tác dụng lên đoạn dây l mang dòng điện I đặt trong từ trường đều, tại đó có cảm ứng từ là có:

- Điểm đặt tại trung điểm của l

- Phường vuông góc với $\overrightarrow{l}$ và $\overrightarrow{B}$

- Chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái

- Độ lớn F = BlIsin α

4. Quy tắc bàn tay trái

4.1. Khái niệm quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 90 độ chỉ chiều của lực điện từ.

Quy tắc này dựa trên cơ sở lực từ tác động lên dây dẫn theo biểu thức toán học:

F = I.dl.B

Trong đó:

- F biểu thị cho đại lượng lực từ

- I biểu thị cho đại lượng cường độ dòng điện

- dl biểu thị cho vectơ có độ dài mà bằng độ dài đoạn dây điện hoặc dây dẫn và hướng theo chiều của dòng điện

- B biểu thị cho vectơ cảm ứng của từ trường

Để xác định quy tắc bàn tay trái, hãy đặt bàn tay sao cho các đường sức từ hướng vào bên trong lòng bàn tay. Dòng điện có chiều từ cổ tay đến ngón giữa. Hướng của lực từ là hướng ngón tay cái duỗi ra một góc 90 độ. Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều dòng điện, ngón cái xòe một góc 90 độ chỉ chiều của lực điện từ

Quy tắc bàn tay trái dùng để biểu diễn một vectơ có hướng vuông góc với mặt phẳng quan sát và hướng về phía người quan sát.

4.2. Ứng dụng quy tắc bàn tay trái

Ngoài hóa học và vật lý, quy tắc bàn tay trái còn được ứng dụng trong sinh học. Đặc biệt là trong việc xác định sự di chuyển của các loại phân từ và phản ứng sinh học. Nó cũng được sử dụng trong một số ứng dụng kỹ thuật như trong việc điều khiển các robot hoặc các thiết bị tự động.

Quy tắc bàn tay trái giúp xác định sự tương tác và sự tương tác của các lực trong các hệ thống phức tạp như trong các phản ứng hóa học, các từ trường hay sự cảm ứng điện từ. Đảm bảo tính nhất quán trong việc mô tả các hiện tượng vật lý và hóa học. Nhằm giúp người nghiên cứu hiểu rõ về các quá trình diễn ra trong tự nhiên.

5. Bài tập vận dụng

Câu 1: Cho đoạn dây MN có khối lượng m, mang dòng điện I có chiều như hình, được đặt vào trong từ trường đều có vectơ $\overrightarrow{B}$ như hình vẽ. Biểu diễn các lực tác dụng lên đoạn dây MN (bỏ qua khối lượng dây treo).

Hướng dẫn:

+ Các lực tác dụng lên đoạn dây MN gồm: Trọng lực $\overrightarrow{P}$ đặt tại trọng tâm (chính giữa thanh), có chiều hướng xuống; Lực căng dây $\overrightarrow{T}$ đặt vào điểm tiếp xúc của sợi dây và thanh, chiều hướng lên; Lực từ $\overrightarrow{F}$: áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định được $\overrightarrow{F}$ có phương thẳng đứng, chiều hướng lên như hình.

+ Các lực được biểu diễn như hình.

Câu 2: Treo đoạn dây dẫn MN có chiều dài l = 25 cm, khối lượng của một đơn vị chiều dài là 0,04 kg/m bằng hai dây mảnh, nhẹ sao cho dây dẫn nằm ngang. Biết cảm ứng từ có chiều như hình vẽ, có độ lớn B = 0,04 T. Cho g = 10m/s²

a) Xác định chiều và độ lớn của I để lực căng dây bằng 0.

b) Cho I = 16A có chiều từ M đến N. Tính lực căng mỗi dây ?

Hướng dẫn:

a) Lực căng dây bằng 0 nghĩa là dây nằm lơ lững $\Rightarrow \overrightarrow{P}+\overrightarrow{F}=0\Rightarrow \overrightarrow{F}=-\overrightarrow{P}$

+ Do đó lực từ $\overrightarrow{F}$ phải có chiều hướng lên. Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều của dòng điện có chiều từ N đến M.

+ Mặt khác ta cũng có: F = P $\iff$ B.I.l.sin 90^o = mg $\Rightarrow I=\frac{mg}{B.l.\sin 90°}$

+ Mật độ khối lượng của sợi dây: $d=\frac{m}{l}$

+ Vậy: $I=\frac{d.g}{B.\sin 90°}=10\left(A\right)$

b) Khi dòng điện có chiều từ M đến N thì lực từ $\overrightarrow{F}$ có chiều hướng xuống. Do lực căng dây $\overrightarrow{T}$ có chiều hướng lên nên: T = P + F = mg + BIl

$\Rightarrow T=l\left(\frac{mg}{l}+BI\right)$

+ Mật độ khối lượng của sợi dây: $d=\frac{m}{l}$

+ Vậy:

+ Vì có hai sợi dây nên lực căng mỗi sợi là T₁ = T₂ = $\frac{T}{2}$ = 0,13 (N)

Câu 3: Một dây dẫn có chiều dài l = 5m, được đặt trong từ trường đều có độ lớn B = 3.10^-2 T. Cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn có giá trị 6A. Hãy xác đinh độ lớn của lực từ tác dụng lên dây dẫn trong các trường hợp sau đây:

a) Dây dẫn đặt vuông góc với các đường sức từ.

b) Dây dẫn đặt song song với các đường sức từ.

c) Dây dẫn hợp với các đường sức từ một góc 45^o

Lời giải:

a) Khi dây đặt vuông góc với các đường sức từ thì α = 90^o

Lực từ tác dụng lên đoạn dây lúc này có độ lớn: F = B.I.l.sin 90^o = 0,9 (N)

b) Khi dây đặt song song với các đường sức từ thì α = 0^o

Lực từ tác dụng lên đoạn dây lúc này có độ lớn: F = B.I.l.sin 0^o = 0

c) Khi dây đặt tạo với các đường sức từ thì α = 45^o

Lực từ tác dụng lên đoạn dây lúc này có độ lớn: F = B.I.l.sin 45^o = 0,64 (N)

Câu 4: Một đoạn dây thẳng MN dài 6 cm, có dòng điện 5A, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T. Lực từ tác dụng lên đoạn dây có độ lớn Góc hợp bởi dây MN và đường cảm ứng từ là bao nhiêu ?

Lời giải:

Ta có:

Câu 5: Một đoạn dây dẫn dài 5cm đặt trong từ trường đều và vuông góc với vecto cảm ứng từ. Dòng điện chạy qua dây có cường độ 0,75A. Lực từ tác dụng lên dây có giá trị F = 7,5.10^-2 N. Hãy xác định cảm ứng từ của từ trường.

Lời giải:

Ta có: F = B.I.l.sin α

$\Rightarrow B=\frac{F}{Il\sin \alpha }=\frac{3.{10}^{-2}}{0,75.0,05.\sin 90°}=0,8\left(T\right)$

Xem thêm các dạng bài tập Vật Lí sách mới hay, chi tiết khác:

• Lực kế là gì? Công thức tính lực kế

• Nhiệt năng là gì? Công thức tính nhiệt năng

• Quán tính là gì? Công thức tính quán tính

• Quang phổ là gì? Công thức tính quang phổ

• Quỹ đạo chuyển động là gì? Công thức tính quỹ đạo chuyển động

• Số bội giác là gì? Công thức tính số bội giác

---