Bài giảng Vật lý 1: Từ trường - TS. Nguyễn Kim Quang

Bài giảng Vật lý 1: Từ trường cung cấp cho người học các kiến thức: Từ trường tạo bởi một hạt điện chuyển động, từ trường tạo bởi phần tử dòng điện, ứng dụng định luật Ampere, định lý Ampere về dòng điện toàn phần,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Tương tác từ Từ trường tạo hạt điện chuyển động Từ trường tạo phần tử dòng điện Định luật Gauss từ trường Định lý Ampere dòng điện tồn phần Ứng dụng định luật Ampere Tác dụng từ trường lên điện tích chuyển động Chuyển động điện tích từ trường Tác dụng từ trường lên dòng điện Tác dụng từ trường lên mạch điện kín ĐIỆN TỪ TỪ TRƯỜNG TS Nguyễn Kim Quang Hiện tượng từ phát nhiều kỷ trước CN Từ trường tự nhiên (địa từ, quặng sắt từ hóa - nam châm, ), nhân tạo (trong thiết bị điện từ môtơ điện, ti vi, lò vi sóng, lò từ, loa, ổ đĩa máy tính, băng từ, thẻ từ, ) Bản chất tương tác từ lực tác dụng lên điện tích chuyển động, khác với chất tương tác điện (tương tác điện tích) Kim la bàn định hướng theo từ trường Điện tích chuyển động hay dòng điện tạo từ trường Từ trường tác dụng lực lên điện tích chuyển động hay dòng điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 ĐIỆN TỪ TỪ TRƯỜNG TS Nguyễn Kim Quang Phác họa từ trường trái đất ĐIỆN TỪ TỪ TRƯỜNG TS Nguyễn Kim Quang Luôn tồn cặp cực Nam – Bắc từ Cố gắng tách cực từ sinh nhiều cặp cực từ Nếu tiếp tục phân chia nam châm, cuối dẫn đến nguyên tử sắt có cực Nam – Bắc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Từ trường tạo điện tích chuyển động (Điện tích chuyển động tạo từ trường) Một điện tích q di chuyển với vận tốc v tạo xung quanh từ trường B: B= μ0 q v sinϕ , ϕ = 𝑣, Ԧ 𝑟Ԧ 4π r2 Vectơ: B = μ0 qv × 𝑟Ƹ 4π r 𝑟Ԧ , 𝑟Ƹ = 𝑟 0= 4 x 10-7 (T.m/A) Đơn vị B: T (Tesla) Định nghĩa vectơ H: H = B μ (A/m) T= N/A.m G (Gauss)= 10-4 T: thường dùng đo địa từ Từ trường bậc 10T xảy nguyên tử Từ trường lớn tạo phòng thí nghiệm  45T Trên mặt neutron ước tính 108 T TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Từ trường tạo dòng điện (Dòng điện tạo từ trường) Nguyên lý chồng chất từ trường: B = ෍ Bi Phần tử dòng điện dài dl, tiết diện A, mật độ điện tích n.q, có điện tích: dQ= n.q.A.dl μ0 n q Adl vd sinϕ ,mà nqAvd= I dB = 4π r2 μ0 IdԦl × 𝑟Ƹ μ0 Idl sinϕ dB = → dB = 4π r 4π r (Định luật Biot – Savart) B = න dB Từ trường dòng điện L tạo tổng vectơ từ trường phần tử dòng điện L N B = ෍ Bi Từ trường N dòng điện tạo tổng vectơ từ trường dòng điện i=1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Từ trường tạo dòng điện - Thí dụ Dòng điện thẳng Phần tử Idl = Idy sinh P từ trường dB: μ0 Idy sinϕ dB = 4π r2 𝑟= 𝑥 sin 𝜙 y = −x cotgϕ ⇒ dy = 2 x dϕ sin2 ϕ μ0 I sinϕ x μ0 I dϕ = sin ϕ dϕ 2 4π sin ϕ 4πx x sin ϕ dB = 𝜙2 B= න 𝑑𝐵 = 𝜙=𝜙1 1 μ0 I cosϕ1 − cosϕ2 4πx Khi 1 2  (dây dài so với x): B = μ0 I 2πx Chiều B theo quy tắc bàn tay phải TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Từ trường tạo dòng điện - Thí dụ Dòng điện tròn – Tính B điểm P trục Phần tử Idl sinh P từ trường dB: Vì IdԦl ⊥ rԦ ⇒ dB = cosθ = μ0 I dl 4π r a r dBx = dB cosθ = μ0 I a dl 4π r B = Bx = ර dBx = μ0 Ia ර dl 4πr Từ trường điểm trục vòng điện tròn: B = μ0 I Từ trường tâm O vòng điện tròn: B = 2a Chiều B theo quy tắc bàn tay phải μ0 Ia2 x + a2 3ൗ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Từ trường tạo dòng điện - Thí dụ Dòng điện cung tròn – Tính B tâm C Phần tử I.ds sinh tâm C từ trường dB: Vì IdԦs ⊥ rԦ ⇒ dB = μ0 I ds 4π R2 ds = Rdϕ dB μ0 I dB = dϕ 4πR I ϕ μ0 I B = න dB = න dϕ 4πR Từ trường tâm C vng góc mặt phẳng chứa dòng điện cung tròn, chiều xác định quy tắc bàn tay phải (hướng ra): B= μ0 Iϕ 4πR ĐIỆN TỪ TỪ TRƯỜNG TS Nguyễn Kim Quang Định luật Gauss từ trường - Đường sức từ Đường sức từ đường cong vẽ không gian cho tiếp tuyến điểm trùng với vectơ từ trường điểm Chiều đường sức theo chiều từ trường (chiều kim la bàn) Đường sức từ đường cong kín, khác đường sức điện đường cong hở Mật độ đường sức từ tỉ lệ với độ lớn từ trường điểm 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Đường sức từ dòng điện thẳng TS Nguyễn Kim Quang Đường sức từ dòng điện tròn 11 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Định luật Gauss từ trường - Từ thông Từ thông qua mặt vi cấp dA: dΦB = B ∙ dA = B⊥ dA = BdA cosϕ , ϕ = 𝐵, 𝑑𝐴Ԧ Từ thông qua mặt A: ΦB = න B ∙ dA Đơn vị: Wb = T.m2 A N Từ thông qua nhiều mặt: ΦB = ෍ ΦBi i=1 Từ thơng qua mặt kín (Định luật Gauss từ trường): ΦB = ර B ∙ dA = Đường sức từ đường cong kín  Tổng đường sức vào tổng đường sức khỏi mặt kín 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Thơng lượng từ trường – Thí dụ Vòng chữ nhật a  b đặt gần dòng điện thẳng I hình vẽ Tính từ thơng qua mặt chữ nhật Từ trường dòng điện thẳng sinh ra: B(r) = μ0 I 2πr (B ∥ dA) Từ thông qua mặt chữ nhật vi cấp (màu nâu): dΦB = B ∙ dA = B dA = B b dr = μ0 I b dr 2πr Từ thông qua mặt chữ nhật (a  b) : c+a c+a μ0 Ib dr μ0 Ib න ΦB = න B ∙ dA = = ln rቚ 2π r 2π c A c μ0 Ib c + a μ0 Ib a ⇒ ΦB = ln = ln + 2π c 2π c 13 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Định luật Ampere dòng điện tồn phần Lưu số từ trường dọc theo đường cong kín C tổng đại số cường độ dòng điện qua mặt giới hạn đường C nhân với 0 LB = න B ∙ dԦl = μ0 ෍ Ij j C Chiều dương mặt giới hạn xác định chiều dương đường cong C theo qui tắc bàn tay phải Thí dụ: Đường cong kín Ampere bao quanh dòng i1 i2 , dòng i1 theo chiều dương mặt giới hạn: LB = ර B ∙ dԦl = μ0 i1 − i2 C 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Định luật Ampere dòng điện tồn phần Xếp thứ tự từ lớn đến nhỏ độ lớn lưu số từ trường dọc theo đường cong kín a, b, c, d ? 15 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Ứng dụng định luật Ampere dòng điện tồn phần Từ trường sinh trụ dẫn điện dài Trụ dẫn dài, tiết diện bán kính R mang dòng điện khơng đổi I Xác định từ trường cách trục dòng điện khoảng r Xét đường tròn Ampere C bán kính r (đường xanh dương) Vectơ B tiếp xúc với C (B//dl) có độ lớn không đổi C Lưu số từ trường dọc theo đường cong C: ර B ∙ dԦl = B ර dl = B 2πr = μ0 IC C C rR, B(2r)= 0I  B = μ0 I r 2π R2 μ0 I 2πr 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17/05/2017 TỪ TRƯỜNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Ứng dụng định luật Ampere dòng điện tồn phần Từ trường sinh cuộn dây hình xuyến (toroidal solenoid) Cuộn dây hình xuyến gồm N vòng, có dòng điện I chạy qua Xét đường tròn C bán kính r (a