Từ trường của dòng điện chạy trong các dây dẫn có hình dạng đặc biệt
Kiến thức cần nhớ
1. Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài
- Đường sức từ của dòng điện thẳng dài vô hạn là những đường tròn đồng tâm.
- có:
+ Điểm đặt: tại điểm đang xét.
+ Phương: vuông góc với bán kính.
+ Chiều: được xác định theo hai cách.
Quy tắc cái đinh ốc: Quay cái đinh ốc để nó tiến theo chiều dòng điện thì chiều quay của nó tại điểm đó là chiều của .
Quy tắc nắm tay phải: Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón kia khum lại cho ta chiều của đường sức từ. Từ đó, xác định được chiều của .
+ Độ lớn:
Trong đó: r là khoảng cách từ điểm đang xét đến tâm.
2. Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn
- Đường sức từ đi qua tâm O của vòng tròn là đường thẳng vô hạn ở hai đầu, còn các đường khác là những đường cong có chiều đi vào mặt Nam và đi ra mặt Bắc của dòng điện tròn đó.
- có:
+ Điểm đặt: tại tâm của dòng điện tròn.
+ Phương: vuông góc với mặt phẳng vòng dây.
+ Chiều: được xác định theo ba cách.
Quy tắc cái đinh ốc.
Quy tắc bàn tay phải.
Quy tắc đi vào mặt Nam (S) và đi ra mặt Bắc (N).
+ Độ lớn cảm ứng từ tại tâm O của vòng dây bán kính R:
Nếu khung dây tròn tạo bởi N vòng dây sít nhau thì:
3. Từ trường của dòng điện chạy trong ống dây dẫn hình trụ
- Trong ống dây, các đường sức từ là những đường thẳng song song cùng chiều và cách đều nhau.
trong lòng ống dây có:
+ Phương: Song song với trục ống dây.
+ Chiều: Xác định theo quy tắc nắm tay phải.
+ Độ lớn cảm ứng từ trong lòng ống dây:
Trong đó:
+ N là tổng số vòng dây.
+ l chiều dài ống dây.
+ n là số vòng dây quấn trên một đơn vị độ dài của lõi.
4. Từ trường của nhiều dòng điện
Nguyên lí chồng chất: Vectơ cảm ứng từ tại một điểm do nhiều dòng điện gây ra bằng tổng các vectơ cảm ứng từ do từng dòng điện gây ra tại điểm ấy.
Các dạng bài tập về Từ trường của dòng điện chạy trong các dây dẫn có hình dạng đặc biệt
Dạng 1: Bài toán liên quan đến từ trường của dòng điện thẳng dài
Phương pháp giải:
+ Cảm ứng từ của dòng điện thẳng, dài:
+ Nguyên lý chồng chất từ trường:
Dạng 2: Bài toán liên quan đến lực tương tác giữa các dòng điện thẳng dài song song
Phương pháp giải:
+ Hai dòng điện dài, song song, cách nhau một khoảng r, cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau.
+ Từ trường của dòng I1 gây ra tại vị trí dòng I2 cảm ứng từ hướng vào trong thẳng góc với mặt phẳng hình vẽ (quy tắc nắm tay phải) và có độ lớn
Dạng 3: Bài toán liên quan đến từ trường của dòng điện tròn của ống dây
Phương pháp giải:
+ Cảm ứng từ tại tâm của khung dây điện tròn:
+ Cảm ứng từ trong lòng ống dây điện hình trụ dài:
Bài tập tự luyện có hướng dẫn
Bài 1 : Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường của dòng điện phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Lời giải:
Cảm ứng từ tại một điểm:
- Tỉ lệ với cường độ dòng điện I gây ra từ trường;
- Phụ thuộc dạng hình học của dây dẫn;
- Phụ thuộc vào vị trí của điểm đang xét;
- Phụ thuộc vào môi trường xung quanh.
Bài 2 : Độ lớn của cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường của dòng điện thẳng dài thay đổi thế nào khi điểm ấy dịch chuyển:
a) song song với dây?
b) vuông góc với dây?
c) theo một đường sức từ xung quanh dây?
Lời giải:
Cảm ứng từ tại một điểm M trong từ trường của dòng điện thẳng dài được tính bằng công thức:
a) Khi điểm ấy dịch chuyển song song với dây thì B không thay đổi vì khoảng cách từ điểm đó đến dòng điện không đổi.
b) Khi điểm ấy dịch chuyển vuông góc với dây thì B:
- Tăng dần nếu điểm dịch chuyển đến gần dây dẫn do r giảm.
- Giảm dần nếu điểm đó dịch chuyển ra xa dây dẫn do r tăng.
c) Khi điểm ấy dịch chuyển theo một đường sức từ xung quanh dây thì B không đổi vì khoảng cách từ điểm đó đến dòng điện không đổi.
Bài 3 : Phát biểu nào dưới đây là đúng?
Độ lớn cảm ứng từ tại tâm một dòng điện tròn
A. tỉ lệ với cường độ dòng điện.
B. tỉ lệ với chiều dài đường tròn.
C. tỉ lệ với diện tích hình tròn.
D. tỉ lệ nghịch với diện tích hình tròn.
Lời giải:
Độ lớn cảm ứng từ tại tâm một dòng điện:
=> B tỉ lệ với cường độ dòng điện.
Chọn đáp án A
Bài 4: Phát biểu nào dưới đây là đúng?
Cảm ứng từ trong lòng ống dây điện hình trụ
A. luôn bằng 0.
B. tỉ lệ với chiều dài ống dây.
C. là đồng đều.
D. tỉ lệ với tiết diện ống dây.
Lời giải:
Cảm ứng từ trong lòng ống dây điện hình trụ là đồng đều.
Chọn đáp án C
Bài 5 : So sánh cảm ứng từ bên trong hai ống dây điện sau:
Ống 1 |
5A |
5000 vòng |
Dài 2m |
Ống 2 |
2A |
10000 vòng |
Dài 1,5m |
Lời giải:
Cảm ứng từ bên trong ống 1:
Cảm ứng từ bên trong ống 2:
Đáp án: B2 > B1
Bài 6 : Hai dòng điện đồng phẳng: dòng thứ nhất thẳng dài, I1 = 2A; dòng thứ hai hình tròn, tâm O2 cách dòng thứ nhất 40cm, bán kính R2 = 20cm, I2 = 2A. Xác định cảm ứng từ tại O2.
Lời giải:
Cảm ứng từ tại O2 do dòng điện I1 gây ra:
Cảm ứng từ tại O2 do dòng điện I2 gây ra:
Cảm ứng từ tổng hợp tại O2:
- Trường hợp dòng điện trong vòng dây thứ hai chạy theo chiều kim đồng hồ (như hình 21.6a)
Khi này nên: B = B1 + B2 = 7,28.10-6 (T) có phương vuông góc với mặt phẳng chứa hai dòng điện, chiều hướng vào.
- Trường hợp dòng điện trong vòng dây thứ hai chạy ngược chiều kim đồng hồ (như hình 21.6b).
Khi này nên: B = B2 – B1 = 5,28.10-6 (T)
có phương vuông góc với mặt phẳng chứa hai dòng điện, chiều hướng ra (cùng chiều với ).
Bài 7 : Hai dòng điện I1 = 3A; I2 = 2A chạy trong hai dây dẫn thẳng dài, song song cách nhau 50cm theo cùng một chiều. Xác định những điểm tại đó .
Lời giải:
Gọi M là điểm mà tại đó cảm ứng từ tổng hợp bằng 0.
Ta có:
Suy ra: hay và B1 = B2
Do đó tập hợp những điểm M cần tìm phải nằm trên mặt phẳng chứa hai dây dẫn I1 và I2.
Từ hình 21.5:
- Nếu M nằm ngoài khoảng cách giữa dây (1) và dây (2) thì: ⇒ loại.
- Nếu M nằm giữa khoảng cách dây (1) và dây (2) thì: nhận trường hợp này.
Do I1 > I2 nên điểm M nằm gần dây (2) hơn.
Ta có: r1 + r2 = 50cm (∗)
B1 = B2
=> r1 = 1,5r2
Thay (∗∗) vào (∗) ta tìm được r1 = 30cm và r2 = 20cm
Vậy tập hợp những điểm M có B = 0 là đường thẳng thuộc mặt phẳng chứa dây (1) và dây (2), nằm giữa dây (1) và dây (2), cách dây I1 30cm, dây I2 20cm.
Bài 8 : Ống dây có chiều dòng điện chạy qua như hình vẽ:
Chọn phương án đúng về từ cực của ống dây.
A. A là từ cực Nam của ống dây
B. B là từ cực Bắc của ống dây
C. A là từ cực Bắc của ống dây
D. Không xác định được
Lời giải:
Quy tắc nắm tay phải:Nắm tay phải, rồi đặt sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây.
Từ quy tắc nắm bàn tay phải, ta suy ra:
+ A là từ cực Bắc của ống dây
+ B là từ cực Nam của ống dây
Đáp án: C
Bài 9 : Một ống dây dẫn được đặt sao cho trục chính của nó nằm dọc theo thanh nam châm như hình dưới. Đóng công tắc K, đầu tiên thấy thanh nam châm bị đẩy ra xa
Đầu B của nam châm là cực gì?
A. Cực Bắc
B. Cực Nam
C. Cực Bắc Nam
D. Không đủ dữ kiện đề bài
Lời giải:
Ta có:
+ Đóng công tắc K: dòng điện chạy trong dây dẫn theo chiều từ cực dương sang cực âm
+ Áp dụng quy tắc nắm tay phải, ta thấy đường sức từ trong ống dây hướng theo chiều từ P sang Q.
=> Đầu Q là từ cực Bắc của ống dây
Mặt khác theo đề bài thanh nam châm khi đó bị đẩy ra xa =>đầu A là cực Bắc và đầu B là cực Nam
Đáp án: B
Bài 10 : Một dụng cụ để phát hiện dòng điện (một loại điện kế) có cấu tạo được mô tả như hình sau:
Dụng cụ này gồm một ống dây B, trong lòng B có một thanh nam châm A nằm thăng bằng, vuông góc với trục ống dây và có thể quay quanh một trục OO’ đặt giữa thanh, vuông góc với mặt phẳng trang giấy. Nếu dòng điện qua ống dây B có chiều được đánh dâu như hình vẽ thì kim chỉ thị sẽ:
A. Quay sang bên phải
B. Quay sang bên trái
C. Đứng yên
D. Dao động xung quanh vị trí cân bằng
Lời giải:
Nếu dòng điện qua ống dây B có chiều được đánh dấu như hình thì đường sức từ trong ống dây hướng thẳng đứng lên trên.
Cực Bắc của nam châm luôn quay theo chiều đường sức từ của từ trường ngoài nên bị đẩy lên
=> Kim chỉ thị quay sang bên phải
Đáp án: A
Xem thêm các dạng câu hỏi và bài tập liên quan khác
70 Bài tập về Thấu kính mỏng (có đáp án)