Chương 14: Từ trường

Tương tác từ trường, từ trường (vecto cảm ứng từ - vecto cường độ từ trường), đường cảm ứng từ, từ thông, định lý ostrogradsky - Gauss, định luật ampe, lực từ tác dụng lên dòng điện, tự t

CHƢƠNG 14: I II III IV V VI VII VIII TỪ TRƢỜNG TƢƠNG TÁC TỪ Thí nghiệm Ðịnh luật Ampère lực tương tác hai dòng điện TỪ TRƢỜNG(VÉCTƠ CẢM ỨNG TỪ - VÉCTƠ CƢỜNG ÐỘ TỪ TRƢỜNG Khái niệm từ trường Véctơ cảm ứng từ Nguyên lý chồng chất Véctơ cường độ từ trường Tính từ trường dịng điện ÐƢỜNG CẢM ỨNG TỪ TỪ THÔNG ÐỊNH LÝ OSTROGRADSKY-GAUSS Ðường cảm ứng từ Từ thông Ðịnh lý Otrogradski- Gauss ÐỊNH LUẬT AMPÈRE LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÕNG ÐIỆN SỰ TỪ HÓA DÕNG ÐIỆN PHÂN TỬ THUẬN TỪ VÀ NGHỊCH TỪ I TƢƠNG TÁC TỪ Thí nghiệ m TOP Ðầu kỷ XIX, nhà vật lý Pháp Ampère phát rằng: hai dây dẫn mang dòng điện tương tác với Hai dây dẫn đặt song song với hút hai dây có dịng điện chạy chiều, chúng đẩy dịng điện chạy ngược chiều (Hình14.3) Như vậy, cuộn dây có dịng điện chạy qua hút đẩy Mỗi cuộn dây có dịng điện chạy qua, tương đương với nam châm, có hai cực Cực tương đương với cực Bắc nam châm gọi cực bắc cuộn dây, cực mà nhìn từ ngồi vào cuộn dây, ta thấy dịng điện ngược chiều kim đồng hồ (Hình14.4) Hai cuộn dây có dịng điện chạy qua hút hai cực khác tên chúng gần nhau, đẩy hai cực tên gần Ðịnh luật Ampè re lực tƣơng tác hai dòng điện TOP Lực tương tác hai dòng điện phụ thuộc vào cường độ dịng điện, vào hình dạng dây dẫn có dịng điện vào khoảng cách hai dây dẫn Vì khơng thể xác định cách tổng quát lực tác dụng hai dịng điện Ta xác định định luật lực tương tác hai nguyên tố dòng điện Ðộ lớn hướng lực phụ thuộc vào hướng nguyên tố Ta xét hai nguyên tố xếp đặt không gian hình 14 Tổng hợp kết đây, ta xác định lực tác dụng hai nguyên tố mạch điện sau: Các biểu thức (14.1) (14.2) biểu thức định luật Ampère lực tương tác hai nguyên tố dịng điện Ðó định luật từ, đóng vai trị giống định luật Coulomb tĩnh điện Nhờ định luật này, ta tính lực tương tác dịng điện có hình dạng II TỪ TRƢỜNG - VÉCTƠ CẢM ỨNG TỪ - VÉCTƠ CƢỜNG ÐỘ TỪ TRƢỜNG Khái niệ m từ trƣờng TOP Khi xét tương tác dòng điện, đặt số câu hỏi sau: dây dẫn có dịng điện đặt gần dịng điện khác chúng có lực tương tác; lại có lực tương tác đó? lực tương tác truyền từ dịng điện sang dòng điện khác nào? có dịng điện, khơng gian quanh có biến đổi khơng? Câu trả lời giống với tương tác tĩnh điện Sở dĩ hai dịng điện có tương tác từ xung quanh dịng điện có từ trường Khi có dịng điện đặt từ trường dịng điện chịu tác dụng lực từ trường Từ trường xuất xung quanh dịng điện khơng có mặt dịng điện khác Khi khơng gian xung quanh dịng điện có biến đổi định Sau này, thấy từ trường, điện trường, có tinh chất vật lý xác định từ trường dạng tồn vật chất Véctơ cảm ứng từ TOP Ðể đặc trưng cho từ trường cách định lượng, người ta dùng đại lượng cảm ứng từ Ðể xác định độ lớn cảm ứng từ, người ta dựa vào tính chất từ trường tác dụng từ trường lên dòng điện Ta tiến hành giống ta đưa khái niệm cường độ điện trường điện tích điểm Trong công thức định luật Ampère (14.2), ta xét riêng véctơ: Ðó nội dung định luật Biot-Savart-Laplace cảm ứng từ gây nguyên tố dòng điện Từ (14.3), ta thấy độ lớn cảm ứng từ là: Nguyên lý chồng chất Cũng điện trường, từ trường tuân theo nguyên lý chồng chất TOP Ứng dụng công thức (14.3) (14.4), ta tính véctơ cảm ứng từ gây hệ thống dịng điện có hình dạng điểm không gian Véctơ cƣờng độ từ trƣờng TOP Tính từ trƣờng dịng điện TOP Tích phân lấy tồn độ dài L dòng điện Sau đây, ta xét vài ví dụ áp dụng biểu thức cho số trường hợp Vì dịng điện ln khép kín, nên thực tế khơng có dịng điện thẳng dài vô hạn xét từ trường phần thẳng dòng dây điện cho độ dài lớn nhiều so với khoảng cách từ đến điển M bỏ qua từ trường phần dây lại (xem qúa xa M) phần thẳng dòng dây điện xem dài vơ hạn b/ Dịng điện trịn: V LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÕNG ÐIỆN TOP Khi có dịng điện đặt từ trường dịng điện chịu tác dụng lực từ trường Lực nầy phụ thuộc vào hình dạng dịng điện vị trí từ trường Ta xét tác dụng từ trường lên số dịng điện có dạng đơn giản: Tác dụng từ trƣờng lên nguyên tố dòng điện TOP Tác dụng từ trƣờng lên điện tích chuyển động TOP Lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động Lorentz xác định đầu tiên, cơng thức (14.24) cịn gọi công thức Lorentz Ðiều cần ý làĠ vận tốc trung bình chuyện động định hướng điện tích, song cơng thức Lorentz trường hợpĠ vận tốc riêng điện tích Tác dụng tƣơng hỗ hai dịng điện thẳng song song, dài vô hạn TOP Cho hai dây dẫn song song, dài vô hạn, cách đoạn d có dịng điện I1 I2 chạy qua Mỗi dòng điện nằm từ trường dịng điện kia, nên chịu tác dụng lực từ Hai dòng điện tác dụng lực lên Cảm ứng từ dòng điện I1 gây điểm đặt dòng điện I2 là: Vậy ta kết luận: hai dịng điện I1 I2 chiều chúng hút chúng ngược chiều chúng đẩy Tác dụng từ trƣờng lên dịng điện kín TOP VI SỰ TỪ HĨA Véctơ từ hóa TOP TOP Khi từ mơi chưa bị từ hóa, mơmen từ phân tử phân bố hỗn loạn, nên tác dụng từ chúng triệt tiêu lẫn Nếu đặt từ mơi vào từ trường mômen từ phân tử xếp theo hướng từ trường Vì vậy, vật bị từ hóa bao gồm hệ thống dòng điện phân tử định hướng (Hình 14.23) Tồn vật có mơmen từ tổng tất mômen từ phân tử, cường độ từ trường từ mơi mạnh dịng điện phân tử định hứơng mạnh tổng mômen từ phân tử đơn vị thể tích lớn Vậy véctơ từ hóaĠ chất tổng tất mômen từ phân tử đơn vị thể tích, ta có: Cƣờng độ từ trƣờng từ môi TOP VII DÕNG ÐIỆN PHÂN TỬ TOP Như ta biết nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện dương electron mang điện âm Nguyên tử tập trung toàn khối lượng hạt nhân Ở điều kiên bình thường nguyên tử trung hòa điện, nghiã số electron số prơton hạt nhân Ðiện tích hạt nhân số electron nguyên tử có liên hệ mật thiết với vị trí nguyên tố Bảng tuần hồn Một ngun tố có số thứ tự Z điện tích hạt nhân +Ze ( e: điện tích electron) Vì electron ngun tử chuyển động khơng ngừng, cách gần đúng, xem electron chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo tròn hay elip tương tự chuyển động hành tinh xung quanh mặt trời Mỗi electron nguyên tử chuyển động theo quỹ đạo khác Chúng quay quỹ đạo với tần số lớn (30( rad/s) Chuyển động điện tử xem dịng điện kín Trong Cơ học lượng tử, người ta tìm kết qủa tương tự chứng minh electron nguyên tử chuyển động theo quỹ đạo dừng xác định với mômen xung lượng : VIII THUẬN TỪ VÀ NGHỊCH TỪ TOP Ðể kiểm chứng ta làm thí nghiệm sau: Treo ống thuỷ tinh đựng đầy dung dịch Clorua sắt đặt vào hai cực nam châm điện ống nằm dọc theo đường cảm ứng từ (Hình 14.26) Ðặt nhánh ống hình chữ U có chưá dung dịch Clorua sắt cho ống thí nghiệm có mức dung dịch thấp mức ngang hai cực nam châm điện Khi nam châm điện hoạt động, ta thấy mực dung dịch nhánh dâng cao lên (hình 14.27) Nếu ta nhúng ơng thuỷ tinh đựng dung dịch Clorua sắt vào bình khác đựng dung dịch nầy đậm đặc hẳn đưa vào nam châm ống bị đẩy nằm ngang giống chất nghịch từ (Hình14.28) Ðể làm thí nghiệm nghịch từ, ta dùng đũa Bismut treo từ trường hai cực nam châm thấy đũa bị đẩy miền từ trường yếu nằm vng góc với phương từ trường (Hình 14.29) Hiệu ứng nghịch từ TOP Giải thích từ hóa chất nghịch từ TOP Giải thích từ hóa chất thuận từ TOP Chất thuận từ chất có mơ men từ ngun tử khác khơng Khi chưa có từ trường ngồi, chuyển động nhiệt nên mơmen từ ngun tử xếp hồn tồn hỗn loạn khơng có phương ưu tiên mơmen từ tổng hợp tồn vật thuận từ khơng vật khơng có tính từ tính 6 TRỌNG TÂM ÔN TẬP ***&&&*** Nêu vài thí nghiệm tương tác từ Ðịnh luật Ampere tương tác từ phần tử dịng điện, dịng điện chân khơng môi trường Nguyên lý chồng chất từ trường Khái niệm từ trường, véc tơ cảm ứng từ, cách tính vận tốc cảm ứng từ (tính với dịng điện thẳng) vận tốc cường độ từ trường Nguyên lý chồng chất, đơn vị Ðường cảm ứng từ, tính chất, khác đường cảm ứng từ đường sức điện trường Từ thông Ðịnh luật Ostrogradsky-Gauss Lưu số véctơ cường độ từ trường H Ðịnh lý lưu số Ứng dụng định lý lưu số để tính cảm ứng từ cuộn hình xuyến, cuộn Xơlenoit Biểu thức lực Lorentz, qui tắc bàn tay trái Lực từ tác dụng lên khung dây không co giãn, cách tạo động điện Sự từ hóa Véctơ từ hóa, cảm ứng từ mơi trường CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** Nguyên nhân làm xuất từ trường Một điện tử chuyển động tạo khơng gian xung quanh Tính chất đặc trưng đường cảm ứng từ Lưu số véc tơ cường độ từ trường dọc theo đường cong kín Muốn cho từ thơng qua mạch thay đổi ta thay đổi Khi đặt khung dây khơng co dãn, có dịng điện chạy qua vào từ trường ta thấy Véc tơ đặc trưng cho từ trường điểm không phụ thuộc vào môi trường Ðường sức điện trường khác với đường cảm ứng từ Ðiện tử chuyển động từ trường có qũy đạo BÀI TẬP ***&&&*** Một cuộn dây hình trụ bán kính R, quấn n vịng dây điện kế sát Cho dịng điện có cường độ I chạy qua Tìm cảm ứng từ điểm M nằm trục cuộn dây cách hai đầu cuộn dây đoạn h h Một dịng điện có cường độ I chạy qua dây dẫn uốn thành hình chữ nhật có cạnh a 2a Xác định cảm ứng từ tâm O hình chữ nhật Một đoạn dây dẫn có đường kính 1mm Quấn thành dãy cho từ trường bên ống có giá trị 3.10- T Cường độ dây điện chạy qua 6A Hỏi phải quấn lớp dây điện lên ống ống dây vòng dây quấn sát Một electron chuyển động với vận tốc 108 m/s vào mặt phẳng vng góc với đường sức từ trường có độ lớn 1,5.10-2 T a) Tính độ lớn lực từ tác dụng lên electron b) Chứng minh quỹ đạo electron hình trịn Tìm độ lớn bán kính hình trịn c) Tính động hạt electron PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU PHÁT BIỂU ĐG SAI ***@@@*** Nếu dịng điện có cường độ thay đổi theo thời gian từ trường tạo điểm xác định khơng đổi Các điện tử ngun tử ln chuyển động nên ln có lực tương tác từ điện tử Trong chân không số điện c số từ Từ thơng qua mặt kín S có điện tích lớn giá trị lớn Bên ngồi ống hình xuyến có dịng điện chạy qua, véc tơ cường độ từ trường không Nhân số điện với số từ ta bình phương vận tốc ánh sáng Từ thơng qua mặt kính từ trường tổng dòng điện chạy qua mạch Từ trường qua ống dây tỷ lệ với số dịng dây cường độ dịng điện qua Ðặt hai dịng dây có hình dạng giống có cường độ I chạy qua theo chiều ngược khơng tạo từ trường 10 Véc tơ cảm ứng từ hướng từ cực bắc nam châm tới cực nam nam châm 11 Càng có nhiều dịng điện qua đường cong kín C từ trường lưu số H qua đường cong kín lớn CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ... dụng từ trường lên dịng điện kín SỰ TỪ HĨA Véctơ từ hóa Cường độ từ trường từ môi DÕNG ÐIỆN PHÂN TỬ THUẬN TỪ VÀ NGHỊCH TỪ Hiệu ứng nghịch từ Giải thích từ hóa chất nghịch từ Giải thích từ hóa... dụng từ trƣờng lên dịng điện kín TOP VI SỰ TỪ HĨA Véctơ từ hóa TOP TOP Khi từ mơi chưa bị từ hóa, mơmen từ phân tử phân bố hỗn loạn, nên tác dụng từ chúng triệt tiêu lẫn Nếu đặt từ mơi vào từ trường. .. nghịch từ TOP Giải thích từ hóa chất nghịch từ TOP Giải thích từ hóa chất thuận từ TOP Chất thuận từ chất có mơ men từ ngun tử khác khơng Khi chưa có từ trường ngồi, chuyển động nhiệt nên mơmen từ