Bài giảng vật lý đại cương 2 chuyên đề từ trường tĩnh

Th.S Đỗ Quốc Huy BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chuyên đề: TỪ TRƯỜNG TĨNH (Để download tài liệu này, hãy đăng nhập  vào diễn đàn của trang web champhay.com) MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, SV phải : Xác  định  được  vectơ  cảm  ứng  từ  của  dịng  điện thẳng, trịn, ống dây soneloid, toroid Xác định được lực từ, lực Lorentz Nêu được các định lí O – G, Ampère NỘI DUNG I – K/N từ trường và các đại lượng đặc trưng II – Cảm ứng từ của các dịng điện III ­ Đường cảm ứng từ ­ Từ thơng IV – Các định lý quan trong về từ trường V ­ Lực từ tác dụng lên dịng điện VI ­ Điện tích chuyển động trong từ trường VII – Cơng của lực từ I – TỪ TRỪỜNG & CÁC ĐL ĐẶC TRƯNG: 1 – Tương tác từ ­ Từ trường: Tương tác từ: là tương tác giữa dịng điện với  dđiện Từ trường là mơi trường vật chất xung quanh các  dịng điện và tác dụng lực từ lên các dịng điện khác  đặt trong nó 2 – Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường: Mỗi điểm trong từ trường được đặc trưng bởi  vectơ cảm ứBng từ       và vectơ cường độ từ tr H ường  B Đơn vị đo cảm ứng từ B là T (tesla).  H= µµ Đơn vị đo cường độ từ trường  H là A/m (ampe trên mét).  II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 1 – Định luật Biot – Savart ­ Laplace:                      dB             Vectơ cảm ứng từ  gây  bởi một phần tử dịng điện: µµ dB = (Id l x r ) 4πr dB r O M Id l ãCúphng:vuụnggúcvimpchaphntd vimkhosỏt ãCúchiu:theoquitcinhchocnmtayphi ãln: àà0 Idl dB = sin θ 4πr • Điểm đặt:tại điểm khảo sát II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 2 – Nguyên lý chồng chất từ trường:                      dB             Vectơ cảm ứng từ  gây  r bởi một  dịng điện bất kì: B = dB M I Id l dd Vectơ cảm ứng từ  gây  bởi nhiều  dòng điện: B= Bi i B2 B B1 II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 3 – Vectơ cảm ứng từ của dịng điện thẳng:                                  µµ0 Idl.sin θ B = dB B h r Id l A B M +dB dd � � 4πr B = dB = dd dd h.dθ h l = h.cotgθ � dl = ; r= sin θ sin ãCúphng: Vuụnggúcvimpchadv imkhosỏt ãCúchiu: Quitcinhchocnmtay ãln: phi àà I B= (cos θ1 − cos θ2 ) 4πh • Điểm đặt:Tại điểm khảo sát II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 3 – Vectơ cảm ứng từ của dòng điện thẳng:                                  M h B ất  d + ài B Dđ  r I A µµ I B= 2πh M A I B µµ I B= (cos θ1 − cos θ2 ) 4πh M  Nửa đ  thuộc  thẳng đthẳng  chứa dđ B = µµ0 I B= 4πh A I M B A I B M II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 4 – Vectơ cảm ứng từ của dòng điện tròn:            dB                       dB M d Bt h O I B � � B = d B = d Bt + d Bn = d Bn n r R dd dd dd � � B = dBn = dB.cos α = dd dd dd µµ Idl cos α 4πr � dd • Có phương:  Là trục của vịng dây •Có chiều: Qui tắc đinh ốc hoặc nắm tay phải • Độ lớn: µµ IR B= 2(R + h )3/2 • Điểm đặt:Tại điểm khảo sát II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 4 – Vectơ cảm ứng từ của dịng điện trịn:                                  Tại tâm O µµ I µµ IR B B= M h O 2(R + h )3/2 O R BO = I Mơmen từ của dịng điện trịn: 2R Cung trịn chắn  góc ở tâm 2 : pm α µµ I BO = π 2R p m = I S Hay: p m = IS pm Có phương vng góc mp dịng điện; có chiều  xác định theo qui tắc đinh ốc hoặc nắm tay  phải V – LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN: 4 – Từ trường đều tác dụng lên khung dây:                                  b) Mặt phẳng k/dây khơng vng góc với đường sức  từ: Lực từ làm quay khung dây Mơmen của lực từ: M = pm x B M = p m B.sin θ = BIS.sin θ VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 1 – Lực Lorentz:                                 F L = q[v, B] FL • Có phương:  vng góc với mp chứa vectơ  (v, B) theo qui tắc bàn tay trái đối với đt +,  •Có chiều: bàn tay phải đối với đt ­ • Độ lớn: FL =| q | B.v.sin θ • Điểm đặt: tại điện tích VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 2 – Điện tích chuyển động trong từ trường  đ ề u:                                  a) Nếu vectơ vận tốc đầu              v PB � FL = Đt cđ thẳng  b) Nếu vectơ vận tốc đầu             :  v0 ⊥ B Điện tích chuyển  động trịn đều r FL + B+ v0 v0 FL r đều theo hướng  cũ  Lực Lorentz: v FL =| q | B.v = ma = m r Bán kính quĩ đạo: 2πm Chu kì quay: T = |q|B mv r= |q|B VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 2 – Điện tích chuyển động trong từ trường  đ ề u:                                  v c) Nếu vectơ vận tốc đầu      t ạo vớBi        một góc         v⊥ v0 PB ực Lorentz = 0 nên  Theo phương       l đt chuyển động thẳng đều vP ⊥ B ực Lorentz làm đt  Theo phương        l chuyển động tròn đều h B Kết quả: quĩ đạo của đt là đường xoắn lò xo mv ⊥ mv0 sin θ = Bán kính xoắn: r = |q|B |q|B Bước  xoắn: 2πm h = vP.T = v0 cos θ |q|B Chu kì: T = 2πm |q|B VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 3 – Đ/tích ch/động trong t/tr khơng đều – bẫy  t :                                  Theo đl bảo tồn mơmen động  lượng:             mv 2⊥ L x = mrv ⊥ = ⊥ 0⊥ | q | B(x) = const 1/2 �B(x) � v v � = � v ⊥ = v0⊥ � � B(x) B0 �Bo � (1) Lực Lorentz không làm thay  đổi tốc độ, nên:v = vP2 + v 2⊥ = v 02 x (2) Mà  vP = v cos θ; v ⊥ = v sin θ; v 0⊥ = v sin θ0 1/2 � B(x) (1), (2) suy ra:  vP = v0 � 1− sin θ0 � � � B0 � O v⊥ x v vP VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 3 – Đ/tích ch/động trong t/tr khơng đều – bẫy  1/2 từ:                                 � B(x) � vP = v � 1− sin θ0 � � B0 � (3)  (3) suy ra: đt khơng thể xun  qua miền có B(x) lớn. Nó sẽ bị  phản xạ ngược trở lại tại điểm  có hồnh độ xh có B(x) = Bh thỏa: x x O B0 Bh = sin θ0 Nếu từ trường có dạng đối xứng qua mp x =  0 thì bất kì hạt điện tích nào rơi vào từ  trường này đều có thể bị bắt bẫy, nó chuyện  động xoắn ốc qua lại giữa hai mặt phẳng x =  xh và x = – xh. Ta nói hạt điện tích bị rơi vào  VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 3 – Đ/tích ch/động trong t/tr khơng đều – bẫy  từ:                                 VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 4 – Hiệu ứng Hall:                                 +++++++ + + j Nguyên nhân: do lực Lorentz  tác dụng lên các đt chuyển  động trong từ trường.  + + j - - - - -B Hiện tượng xuất hiện  các điện tích trái dấu  trên bề mặt vật dẫn  đang tải điện khi nó đặt  trong từ trường gọi là  hiệu ứng Hall.  VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 4 – Hiệu ứng Hall:                                 Hiệu điện thế  Hall Fd = FL | q | E =| q | Bv UH j =B d n 0q Bjd UH = = R H Bjd n 0q RH = n 0q h/số Hall VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 5 ­ Ứng dụng:                                 VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 5 ­ Ứng dụng:                                 VII – CƠNG CỦA LỰC TỪ: � � � � A = Fdx = BIl.dx = BIdS = I.dΦ m A = I.∆Φ m F I dx + B TƯƠNG QUAN ĐIỆN – TỪ: ĐIỆN Xung quanh điện tích có  điện trường TỪ Xung quanh dịng điện  có từ trường Đặc trưng cho điện trường  Đặc trưng cho từ trường  tại mỗi điểm là vectơ  u r tại mỗi đi ểm là vectơ  u r cường độ điện trườngE cảm ứng t Bừ Vectơ cđđt gây bởi một  điện tích điểm: Q r Q E=k = e r εr r 4πεε0 r Vectơ cảm ứng từ gây bởi  một yếu tố dịng điện: µµ0 dB = [Id l, r ] 4πr TƯƠNG QUAN ĐIỆN – TỪ: ĐIỆN Hằng số điện:   0 = 8,85.10 – 12 F/m Hệ số điện môi:  TỪ Hằng số từ:   0 = 4 10 – 7 H/m Hệ số từ môi:  Vectơ cảm ứng  điện: Vectơ cuờng độ  TT: Đường sức điện Đường sức từ Điện thông  Từ thông  D = εε0 E E B H= µµ m TƯƠNG QUAN ĐIỆN – TỪ: ĐIỆN TỪ Lực điện trường: F = qE Định lý O – G: ￑ EdS = (S) FL = q[v, B] Định lý O – G: q trong(S) ￑ εε0 Lưu thông của vectơ cđđt E d l = U AB AB Lực từ: d F = [Id l, B] Bd S = (S) Lưu thông của vectơ cđtt ￑ (C) Hd l = Ik k ... VI ­ Điện tích chuyển động trong? ?từ? ?trường VII – Cơng của lực? ?từ I – TỪ TRỪỜNG & CÁC ĐL ĐẶC TRƯNG: 1 – Tương tác? ?từ? ?­? ?Từ? ?trường: Tương tác? ?từ:  là tương tác giữa dòng điện với  dđiện ? ?Từ? ?trường? ?là mơi? ?trường? ?vật? ?chất xung quanh các ... • Đường cảm ứng? ?từ? ?phải là đường khép kín •? ?Từ? ?trường? ?là? ?trường? ?xốy.  IV – CÁC ĐL QUAN TRỌNG VỀ TỪ TRƯỜNG: 2? ?– Định? ?lý? ?Ampère (? ?lý? ?dịng tồn phần):                                  Lưu thơng của vectơ cường độ? ?từ? ?trường? ?dọc theo ... dịng điện và tác dụng lực? ?từ? ?lên các dịng điện khác  đặt trong nó 2? ?– Vectơ cảm ứng? ?từ,  vectơ cường độ? ?từ? ?trường: Mỗi điểm trong? ?từ? ?trường? ?được đặc trưng bởi  vectơ cảm ứBng? ?từ? ?      và vectơ cường độ? ?từ? ?tr H