Bài 20: Bài tập về từ trường

1. Kiến thức trọng tâm

Bài tập về từ trường thường xoay quanh các công thức trọng tâm sau. Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện: $F = BIl\sin\alpha$, trong đó $B$ là cảm ứng từ, $I$ là cường độ dòng điện, $l$ là chiều dài đoạn dây, $\alpha$ là góc giữa dây dẫn và vectơ cảm ứng từ. Cảm ứng từ do dòng điện thẳng dài gây ra tại điểm cách dây một khoảng $r$: $B = 2 \times 10^{-7} \dfrac{I}{r}$. Cảm ứng từ tại tâm vòng dây tròn bán kính $R$ có $N$ vòng: $B = 2\pi \times 10^{-7} \dfrac{NI}{R}$. Cảm ứng từ trong lòng ống dây dài có $n$ vòng trên một mét: $B = 4\pi \times 10^{-7} nI$.

Từ thông qua diện tích $S$: $\Phi = BS\cos\alpha$. Suất điện động cảm ứng: $e_c = -\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$. Khi giải bài tập, cần xác định đúng chiều của lực từ bằng quy tắc bàn tay trái, chiều dòng điện cảm ứng bằng định luật Lenz, và đổi đơn vị về hệ SI trước khi tính toán. Với bài toán tổng hợp, có thể cần cộng vectơ cảm ứng từ do nhiều nguồn gây ra tại cùng một điểm theo nguyên lí chồng chất từ trường.

2. Ví dụ minh họa

Hai dây dẫn thẳng dài song song cách nhau $d = 0{,}1,\text{m}$, cùng mang dòng điện $I_1 = I_2 = 5,\text{A}$ cùng chiều. Cảm ứng từ do dây thứ nhất gây ra tại vị trí dây thứ hai là $B_1 = 2 \times 10^{-7} \times \dfrac{5}{0{,}1} = 10^{-5},\text{T}$. Lực từ tác dụng lên mỗi mét dài của dây thứ hai là $F = B_1 I_2 l = 10^{-5} \times 5 \times 1 = 5 \times 10^{-5},\text{N}$. Vì hai dòng điện cùng chiều nên hai dây hút nhau. Nếu đổi chiều một trong hai dòng điện thì hai dây sẽ đẩy nhau với cùng độ lớn lực. Đây là cơ sở để định nghĩa đơn vị ampe trong hệ SI.

3. Ghi nhớ

• Lực từ: $F = BIl\sin\alpha$; chiều xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
• Cảm ứng từ: dây thẳng $B = 2 \times 10^{-7}\dfrac{I}{r}$; vòng dây $B = 2\pi \times 10^{-7}\dfrac{NI}{R}$; ống dây $B = 4\pi \times 10^{-7}nI$.
• Từ thông $\Phi = BS\cos\alpha$; suất điện động cảm ứng $e_c = -\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$.
• Hai dòng điện song song cùng chiều thì hút nhau, ngược chiều thì đẩy nhau.
• Luôn đổi đơn vị về hệ SI trước khi tính toán.