Khi cho dòng điện một chiều chạy qua khung, momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung làm cho khung quay xung quanh trục OO’. Bộ góp điện giúp cho dòng điện trong khung đổi chiều, vì vậy khun[r]
(1)Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 11
Họ Tên:
HỆ THỐNG KIẾN THỨC VẬT LÝ 11 NÂNG CAO Chương 4
TỪ TRƯỜNG
I/ Từ trường
1. Tương tác từ
Tương tác nam châm với nam châm, dòng điện với nam châm dòng điện với dòng điện gọi tương tác từ Lực tương tác trường hợp gọi lực từ
2. Từ trường
a) Khái niệm từ trường
+ Xung quanh nam châm hay xung quanh dòng điện có từ trường + Xung quanh điện tích chuyển động có từ trường
b) Tính chất từ trường
Từ trường gây lực từ tác dụng lên nam châm hay dòng điện đặt
c) Cảm ứng từ
Cảm ứng từ đại lượng đặc trưng cho từ trường mặt gây lực từ Cảm ứng từ vectơ, kí hiệu Br Phương nam châm thử nằm cân điểm từ trường phương vectơ cảm ứng từ Br từ trường điểm Ta quy ước lấy chiều từ cực Nam sang cực Bắc nam châm thử chiều vectơ Br
3. Đường sức từ a) Định nghĩa
Đường sức từ đường vẽ từ trường cho tiếp tuyến điểm đường trùng với phương vectơ cảm ứng từ điểm
b) Các tính chất đường sức từ
+ Tại điểm từ trường, vẽ đường sức từ qua mà
+ Các đường sức từ đường cong kín Từ trường trường xoáy
+ Nơi cảm ứng từ lớn đường sức từ vẽ mau (dày hơn), nơi cảm ứng từ nhỏ đường sức từ vẽ thưa
c) Từ phổ
Dùng mạt sắt rắc lên kính đặt nam châm, gõ nhẹ kính ta nhận từ phổ nam châm
4. Từ trường
Một từ trường mà cảm ứng từ điểm gọi từ trường + Các đường sức từ trường đường thẳng song song cách II/ Phương chiều lực từ tác dụng lên dòng điện
1. Lực từ tác dụng lên dòng điện
Lực mà từ trường tác dụng lên nam châm hay lên dòng điện gọi lực từ Lực từ tác dụng lên dòng điện gọi lực Am-pe
2. Phương lực từ tác dụng lên dòng điện
Lực từ tác dụng lên đoạn dịng điện có phương vng góc với mặt phẳng chứa đoạn dịng điện cảm ứng từ điểm khảo sát
3. Chiều lực từ tác dụng lên dòng điện Quy tắc bàn tay trái
(2)1. Cảm ứng từ
Cảm ứng từ Br đại lượng đặc trưng cho từ trường phương diện tác dụng lực Độ lớn cảm ứng từ từ trường điểm khảo sát tính B F
I sin
l Trong
đó F lực mà từ trường tác dụng lên đoạn dây dẫn có chiều dài l , mang dịng điện có cường độ I đặt điểm khảo sát góc hợp dịng điện đường sức từ.
Trong hệ SI, đơn vị cảm ứng từ tesla, kí hiệu T 2. Định luật Am-pe
Lực từ tác dụng lên đoạn dòng điện đặt từ trường hay coi tính F BI sin l Trong B cảm ứng từ điểm đặt đoạn dịng điện có chiều dài l , cường độ I góc hợp đoạn dịng điện vectơ Br .
3. Nguyên lý chồng chất từ trường
Giả sử ta có hệ n nam châm (hay dòng điện) Tại điểm M, cảm ứng từ nam châm thứ B1
r
, nam châm thứ hai B2
r
, …, nam châm thứ n Bn
r
Gọi Br từ trường hệ M thì: B Br r1Br2 B rn
IV/ Từ trường số dòng điện có dạng đơn giản 1. Từ trường dịng điện thẳng
+ Các đường sức từ dòng điện thẳng đường tròn đồng tâm nằm mặt phẳng vng góc với dịng điện Tâm đường sức từ giao điểm mặt phẳng dây dẫn
+ Chiều đường sức từ xác định theo quy tắc nắm tay phải: Giơ ngón bàn tay phải hướng theo chiều dòng điện, khum bốn ngón xung quanh dây dẫn chiều từ cổ tay đến ngón tay chiều đường sức từ
+ Cảm ứng từ dòng điện thẳng đặt khơng khí tính theo cơng thức: I
B 2.10 r
Trong r khoảng cách từ điểm khảo sát đến dòng điện 2. Từ trường dòng điện tròn
+ Các đường sức từ dòng điện trịn có dạng hình 29.6
+ Chiều đường sức từ xác định theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải theo vòng dây khung cho chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dịng điện khung ; ngón choãi chiều đường sức từ xuyên qua mặt phẳng dòng điện
+ Cảm ứng từ tâm dòng điện tròn mà khung dây gồm N vịng, đặt khơng khí, tính theo cơng thức NI
B 10 R
Trong R bán kính dịng điện 3. Từ trường dòng điện ống dây
+ Bên ống dây, đường sức từ song song với trục ống dây cách Nếu ống dây đủ dài, từ trường bên ống dây từ trường Bên ống dây, dạng phân bố đường sức từ giống nam châm thẳng (Hình 29.9)
+ Chiều đường sức từ xác định theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải theo vòng dây ống, cho chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dịng điện ống ; ngón chỗi chiều đường sức từ xuyên qua ống dây
+ Ống dây mang dịng điện có hai cực, đầu ống mà đường sức cực Bắc, đầu cực Nam
+ Nếu ống dây dài đặt khơng khí, cảm ứng từ bên ống dây tính theo cơng thức: B 10 nI7
Trong n số vịng dây mét chiều dài ống V/ Tương tác hai dòng điện thẳng song song Định nghĩa đơn vị am-pe
(3)+ Hai dòng điện song song chiều hút nhau, ngược chiều đẩy + Dựa vào quy tắc nắm tay phải ta xác định chiều cảm ứng từ áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định chiều lực từ tác dụng lên dòng điện
+ Độ lớn lực từ tác dụng lên đơn vị chiều dài dây dẫn mang dòng điện tính theo cơng thức: F 2.10 2I I
r
Trong r khoảng cách hai dòng điện 2. Định nghĩa đơn vị am-pe
Ampe cường độ dịng điện khơng đổi chạy hai dây dẫn thẳng, tiết diện nhỏ, dài, song song với cách mét chân khơng gây mét dài dây lực từ 2.107N.
VI/ Lực Lo-ren-xơ 1. Lực Lo-ren-xơ
+ Lực mà từ trường tác dụng lên hạt mang điện chuyển động gọi lực Lo-ren-xơ
+ Lực Lo-ren-xơ có phương vng góc với mặt phẳng chứa vectơ vận tốc hạt mang điện vectơ cảm ứng từ điểm khảo sát
+ Chiều lực Lo-ren-xơ xác định theo quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái cho đường sức từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều vectơ vận tốc hạt mang điện, ngón choãi 90º chiều lực Lo-ren-xơ hạt mang điện dương, chiều ngược lại hạt mang điện âm
+ Độ lớn lực Lo-ren-xơ tính theo cơng thức: f q vBsin Trong góc hợp vectơ vận tốc vr vectơ cảm ứng từ Br
2. Ứng dụng lực Lo-ren-xơ
Lực Lo-ren-xơ ứng dụng ngành kỹ thuật điện tử, lái chùm tia êlectron (tia catơt) ống phóng điện tử máy thu hình
VII/ Khung dây có dịng điện đặt từ trường 1. Khung dây đặt từ trường
a) Thí nghiệm: Bố trí hình 33.1 cho dòng điện chạy qua khung, khung dây quay b) Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện
+ Đường sức từ nằm mặt phẳng khung (Hình 33.2)
- Lực từ tác dụng lên cạnh AB CD khơng cạnh song song với đường sức từ
- Lực từ FAD
r
và FBC
r
có độ lớn ngược chiều, tạo nên ngẫu lực có tác dụng làm quay khung
+ Đường sức từ vng góc với mặt phẳng khung (Hình 33.3)
Các lực từ tác dụng lên cạnh khung không làm quay khung c) Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây có dịng điện
M IBSsin Trong M momen ngẫu lực từ (N.m) ; I cường độ dòng điện khung (A) ; B cảm ứng từ (T) ; S diện tích mặt phẳng khung dây (m2) góc hợp vectơ Br vectơ pháp tuyến nr (Quay đinh ốc theo chiều dòng điện khung, chiều tiến đinh ốc chiều vectơ nr)
2. Động điện chiều a) Cấu tạo (Hình 33.4)
Gồm: khung dây ; nam châm ; góp điện (hai bán khuyên hai chổi quét) b) Hoạt động
Khi cho dòng điện chiều chạy qua khung, momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung làm cho khung quay xung quanh trục OO’ Bộ góp điện giúp cho dịng điện khung đổi chiều, khung quay liên tục
(4)Gồm: Khung dây có khoảng vài trăm vịng quấn sát Khung dây lồng bên lõi sắt đặt hai cực nam châm Ngồi cịn có lị xo để giữ khung dây vị trí xác định
b) Hoạt động
Khi cho dòng điện vào khung ngẫu lực từ làm khung quay lệch khỏi vị trí lúc đầu Khi lị xo sinh momen cản Khi momen cản cân với momen ngẫu lực từ khung dừng lại Góc lệch khung tỉ lệ với cường độ dòng điện khung Để biến điện kế thành ampe kế hay vôn kế người ta mắc thêm sơn hay thêm điện trở phụ VIII/ Sự từ hóa chất Sắt từ
1. Các chất thuận từ nghịch từ
Các chất tự nhiên đặt từ trường bị từ hóa Các chất có tính từ hóa yếu gồm chất thuận từ nghịch từ Khi vật thuận từ nghịch từ đặt từ trường chúng bị từ hóa Nhưng ta khử từ trường ngồi vật nhanh chóng trở lại trạng thái bình thường, từ tính chúng bị
2. Các chất sắt từ
Các chất có tính từ hóa mạnh hợp thành nhóm gọi chất sắt từ Sắt, niken, coban ba chất sắt từ điển hình
Một mẫu sắt cấu tạo từ nhiều miền từ hóa tự nhiên Miền từ hóa tự nhiên coi “kim nam châm nhỏ” Bình thường “kim nam châm nhỏ” xếp hỗn độn Khi sắt khơng có từ tính Nếu sắt đặt vào từ trường ngồi, “kim nam châm nhỏ” có xu hướng xếp theo từ trường ngồi Khi sắt có từ tính
3. Nam châm điện Nam châm vĩnh cửu
+ Khi cho dòng điện chạy qua ống dây có lõi sắt lõi sắt từ hóa Từ trường ống dây có lõi sắt lớn gấp hàng trăm, hàng nghìn lần từ trường ống dây khơng có lõi sắt Ống dây mang dịng điện có thêm lõi sắt gọi nam châm điện Ngắt dòng điện ống dây từ tính lõi sắt bị nhanh
+ Khi cho dòng điện chạy qua ống dây có lõi thép lõi thép từ hóa Từ trường ống dây có lõi thép lớn gấp nhiều lần từ trường ống dây khơng có lõi thép Ngắt dịng điện ống dây tính tính lõi thép khơng bị mà giữ thời gian dài Thanh thép trở thành nam châm vĩnh cửu hay gọi tắt nam châm
Một chất sắt từ mà từ tính tồn lâu sau từ trường triệt tiêu gọi chất sắt từ cứng
4. Hiện tượng từ trễ
Xét ống dây có lõi thép chưa bị từ hóa Khi từ trường ngồi tăng từ đến B0, từ trường lõi thép tăng từ đến giá trị B1 theo đường cong OAM (Hình 34.2)
Nếu giảm từ trường ngồi từ B0 đến từ trường lõi thép giảm theo đường cong MP Từ trường lõi thép ứng với điểm P gọi từ trường dư lõi thép Từ trường lõi thép giảm trễ từ trường
Nếu tiếp tục cho từ trường biến đổi từ đến B0 từ trường lõi thép giảm theo đường PQN Ta gọi BClà từ trường kháng từ lõi thép
Nếu cho từ trường tăng từ B0 dến B0 từ trường lõi thép tăng theo đường NKLM Q trình từ hóa sau xảy theo đường cong kín MQNLM Đường cong kín gọi chu trình từ trễ
5. Ứng dụng vật sắt từ
Sự từ hóa vật liệu sắt từ có nhiều ứng dụng
Trong đời sống hàng ngày ta gặp nam châm cửa xếp nhựa, cửa tủ lạnh, quạt điện, … Trong kĩ thuật ta gặp nam châm điện rơle điện từ, cần cẩu điện, … IX/ Từ trường Trái Đất
(5)Các đường sức từ từ trường Trái Đất nằm mặt đất gọi kinh tuyến từ Góc lệch kinh tuyến từ kinh tuyến địa lý gọi độ từ thiên (hay góc từ thiên), kí hiệu D
+ Người ta quy ước độ từ thiên ứng với trường hợp cực Bắc kim la bàn lệch sang phía Đông độ từ thiên dương, ngược lại độ từ thiên âm
b) Độ từ khuynh
Góc hợp kim nam châm la bàn từ khuynh mặt phẳng nằm ngang gọi độ từ khuynh (hay góc từ khuynh), kí hiệu I
+ Ở bắc bán cầu, cực Bắc kim nam châm nằm phía mặt phẳng nằm ngang Người ta quy ước độ từ khuynh dương Ngược lại phía nam bán cầu, cực Bắc kim nam châm nằm phía mặt phẳng nằm ngang, quy ước độ từ khuynh âm 2. Các từ cực Trái Đất
Ngoài hai địa cực gọi Bắc cực Nam cực, Trái Đất cịn có hai từ cực Từ cực nam bán cầu gọi từ cực Bắc, từ cực bắc bán cầu gọi từ cực Nam
3. Bão từ
Các yếu tố từ trường Trái Đất cảm ứng từ, độ từ thiên, độ từ khuynh,… có biến đổi theo thời gian Nếu biến đổi xảy lúc quy mơ tồn cầu ta gọi bão từ