Nội dung kiến thức

6. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

2.2.1. Nội dung kiến thức

Sau khi học xong chương “Từ trường” học sinh cần nắm vững các nội dung kiến thức sau:

2.2.1.1 Các kiến thức về từ trường 2.2.1.1.1. Khái niệm tương tác từ

Tương tác từ là tương tác giữa các hạt mang điện chuyển động, gồm: tương tác giữa nam châm với nam châm, nam châm với dòng điện và dòng điện với dòng điện.

2.2.1.1.2. Khái niệm từ trường

Từ trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh các hạt mang điện chuyển động và tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển động khác đặt trong nó.

2.2.1.1.3. Đường cảm ứng từ (đường sức từ)

Đường sức từ là những đường được vẽ sao cho hướng của tiếp tuyễn tại bất kì điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của véctơ cảm ứng từ tại điểm đó.

Tính chất của đường sức từ:

- Tại mỗi điểm trong từ trường, có thể vẽ được một đường sức từ đi qua và chỉ một mà thôi.

- Các đường sức từ là những đường cong kín. Đối với nam châm, ở ngoài nam châm đường sức từ đi ra từ cực Bắc, đi vào ở cực Nam của nam châm.

- Các đường sức từ là không cắt nhau.

- Nơi nào cảm ứng từ lớn hơn thì đường sức từ ở đó mau hơn (dày hơn), nơi nào cảm ứng từ nhỏ hơn thì đường sức từ ở đó sẽ thưa hơn.

Đường sức từ được dùng để biểu diễn từ trường trong không gian.

Từ phổ là hình ảnh của các mạt sắt ssắp xếp trong từ trường. Dựa vào từ phổ ta biết được gần đúng về dạng và sự phân bố các đường sức từ của từ trường

2.2.1.1.4. Cảm ứng từ

- Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường là đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực từ tại điểm đó. Nó được đo bằng thương số giữa lực từ (F) tác dụng lên một đoạn dây dẫn dài đủ nhỏ mang dòng điện đặt vuông góc với đường sức từ tại điểm đó và tích của cường độ dòng điện (I) với độ dài (l) của đoạn dây đó.

. F B I l 

- Cảm ứng từ là một đại lượng véctơ. Véctơ cảm ứng từ có: + Điểm đặt: Tại điểm khảo sát.

+ Phương: Trùng với trục của nam châm thử nằm cân bằng tại điểm đó. + Chiều: Chiều từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm thử nằm cân bằng tại điểm khảo sát.

+ Độ lớn: . F B I l  2.2.1.1.5. Từ trường đều

Một từ trường mà cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là từ trường đều.

2.2.1.1.6. Nguyên lý chồng chất từ trường

Giả sử từ trường của nam châm (dòng điện) thứ: 1, 2, 3, , n gây ra tại điểm M lần lượt là B B B  1, 2, 3,....,Bn

thì từ trường B

tại điểm M là: B  B1B2B3...Bn

2.2.1.1.7. Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản

a) Từ trường của dòng điện thẳng - Dạng của đường sức từ

Đường sức từ của dòng điện thẳng là các đường tròn đồng tâm nằm trong

mặt phẳng vuông góc với dòng điện. Tâm của các đường sức là giao điểm của mặt phẳng và dây dẫn.

- Chiều của đường sức từ + Dùng nam châm thử. + Dùng quy tắc đinh ốc 1.

+ Dùng quy tắc nắm tay phải: “Giơ ngón cái của bàn tay phải hướng theo chiều dòng điện, khum bốn ngón tay kia xung quanh dây dẫn thì chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều của đường sức từ”.

- Cảm ứng từ tại một điểm nằm cách dòng điện một đoạn r, dòng điện đặt trong không khí: 7 2.10 .I B r  

b) Từ trường của dòng điện tròn - Dạng của đường sức từ

+ Đường sức từ đi qua tâm dòng

điện tròn là một đường thẳng, càng xa tâm đường sức từ càng bị bẻ cong. + Đường sức từ tại giao điểm của mặt phẳng nằm ngang và mặt phẳng thẳng đứng chứa dòng điện tròn là các đường tròn.

- Chiều của đường sức từ + Dùng nam châm thử.

M

I

B

+ Dùng quy tắc đinh ốc 2.

+ Dùng quy tắc nắm tay phải: “ Khum bàn tay phải theo vòng dây của khung sao cho chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện trong khung; ngón tay cái choãi ra chỉ chiều các đường sức từ xuyên qua mặt phẳng dòng điện”.

+ Quy tắc kim đồng hồ.

- Cảm ứng từ ở tâm của dòng điện tròn (bán kính R) mà khung dây gồm N vòng, đặt trong không khí: B N.2 .10 .7 I

R

 



c) Từ trường của dòng điện trong ống dây - Dạng của đường sức từ

+ Đường sức từ bên trong ống dây là những đường thẳng song song và cách đều nhau.

+ Đường sức từ bên ồgià ống dây có dạng giống như đường sức từ của nam châm thẳng.

- Chiều của đường sức từ + Dùng nam châm thử. + Dùng quy tắc đinh ốc 2.

+ Dùng quy tắc vặn nắm tay phải. + Dùng quy tắc kim đồng hồ.

- Cảm ứng từ tại một điểm bên trong một ống dây mang dòng điện đặt trong không khí: B 4. 10 . .7n I 4. 10 .7 N.I

l

   

  (trong đó N là số vòng dây, l là chiều dài ống dây, n là số vòng dây trên 1 mét chiều dài của ống

2.2.1.2 Các kiến thức về lực từ

2.2.1.2.1. Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường

- Điểm đặt: Tại trung điểm của đoạn dây dẫn. - Phương: Vuông góc với mặt phẳng  l B,

.

- Chiều: Được xác định theo quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện, ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện”.

- Độ lớn: Tính theo công thức Ampe F B.I.l.sin

Trong đó: l là chiều dài đoạn dây dẫn mang dòng điện, đơn vị (m);

 l B,

  

; I là cường độ dòng điện chạy trong đoạn dây, đơn vị (A); F là lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện, đơn vị (N).

2.2.1.2.2. Lực tương tác giữa hai dây dẫn thẳng song song mang dòng điện

- Hai dây dẫn có dòng điện cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau. - Công thức tính lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song: + Lực tương tác lên một đơn vị chiều dài dây dẫn mang dòng điện 7 1. 2 2.10 .I I F r  

+ Lực tương tác lên một đoạn dây dẫn dài l, mang dòng điện 7 1. 2 2.10 .I I . F l r  

Trong đó: I1, I2 lần lượt là cường độ dòng điện chạy trong hai dây dẫn. r là khoảng cách hai dây dẫn.

B



F



2.2.1.2.3. Lực từ tác dụng lên một khung dây có dòng điện

- Đường sức từ nằm trong mặt phẳng khung dây Khung dây sẽ chịu tác dụng của một ngẫu lực từ. Ngẫu lực này có tác dụng làm quay khung dây. - Đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung

Lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây chỉ có tác dụng kéo dãn khung dây mà không làm quay khung dây.

- Mômen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện M I.B. .sinS 

Trong đó: I là cường độ dòng điện chạy trong khung. B là cảm ứng từ của từ trường.

S là diện tích của mặt phẳng khung dây.  n B , 

; n

là véctơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây. - Các trường hợp đặc biệt: + Nếu    0 n B hoặc  nB thì M =0 (Vị trí cân bằng của khung dây). + Nếu  900nB

thì M = I.B.S (Mômen ngẫu lực từ đạt giá trị lớn nhất).

2.2.1.2.4. Lực từ tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động. Lực Lorenxo

- Lực mà từ trường tác dụng lên một hạt mang điện chuyển động trong nó gọi là lực Lo-ren-xơ.

- Đặc điểm của lực Lo-ren-xơ:

 + F  ' F 

+ Điểm đặt: Tại hạt mang điện chuyển động.

+ Phương: vuông góc với mặt phẳng chứa vectơ vận tốc của hạt mang điện và vectơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát.

+ Chiều: Tuân theo quy tắc bàn tay trái: “Đặt bàn tay trái duỗi thẳng Sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay. Chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều chuyển động của hạt mang điện dương; ngược với chiều chuyển động của hạt mang điện âm. Khi đó ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động”.

+ Độ lớn của lực Lo-ren-xơ: f  q v B. . .sin Trong đó: q là điện tích của hạt mang điện.

v là vận tốc của hạt mang điệnc huyển động. B là cảm ứng từ, và v B ,  .) Nếu v B , 0v B  thì f = 0 = fmin. .) Nếu   0 , 90 v B v B      thì f  q v B. . = fmax. .) Nếu v B , 0,900 thì fmin < f < fmax.

2.2.2. Các kỹ năng cơ bản cần rèn luyện cho học sinh

- Kĩ năng biểu diễn đường sức từ đúng dạng, đúng độ lớn (mau thưa). - Kĩ năng vẽ các đường sức từ nhờ sự định hướng của nam châm thử, từ đó xác định cực của nam châm và ngược lại.

- Kĩ năng vận dụng quy tắc nắm tay phải; quy tắc đinh ốc 1, 2; quy tắc kim đồng hồ; để xác định hình dạng và chiều của đường sức từ, từ đó xác định cực của dòng điện tròn và dòng điện trong ống dây và ngược lại.

- Kĩ năng vận dung quy tắc bàn tay trái để xác định chiều của một trong ba đại lượng  F B I; ;

hoặc   f B v; ;

khi biết trước chiều của hai đại lượng kia. - Kĩ năng đổi đơn vị các đại lượng trong một bài toán sao cho thích hợp. - Kĩ năng vận dụng các kiến thức toán học: cộng vectơ, hệ thức lượng. - Kĩ năng phán đoán, suy luận.

- Kĩ năng phân tích và tổng hợp lực.

- Kĩ năng vận dụng các định luật của cơ học cổ điển, vận dụng phương trình động học,

- Kĩ năng vận dụng các công thức để tính toán, xác định các đại lượng theo yêu cầu của bài toán.

- Kĩ năng xử lí số liệu, sai số trong phép tính toán tìm ra kết quả. - Kĩ năng lập luận lôgíc.

2.3. Các khó khăn và sai lầm phổ biến của học sinh

- Học sinh chưa quen với việc dựa vào sự định hướng của nam châm thử để xác định chiều đường sức từ và ngược lại.

- Học sinh hay nhầm lẫn khi sử dụng các quy tắc để xác định chiều đường sức từ với chiều của lực từ.

- Học sinh còn nhầm lẫn giữa lực tĩnh điện và lực từ.

- Học sinh còn hay gặp khó khăn trong việc xác định chiều các đại lượng như: v

khi biết chiều của B và f

; hoặc B

khi biết chiều của F

và I; hoặc xác định chiều của I khi biết chiều của B

và F

.

- Nhầm lẫn khi đi xác định chiều của lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện âm chuyển động trong từ trường.

- Lúng túng khi đi biểu diễn lực từ hay lực Lo-ren-xơ trên hình học phẳng hoặc không gian khi biết chiều của hai đại lượng kia.

- Xác định sai góc  khi đi tính lực từ hay lực Lo-ren-xơ; xác định sai góc  khi đi tính mômen lực từ.

- Quên các công thức tính lực từ hay lực Lo-ren-xơ hay mômen lực từ. - Khả năng phân tích bài toán có nhiều lực tác dụng, biểu diễn trên hình vẽ còn kém.