Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng hay, chi tiết

A. Phương pháp & Ví dụ

- Lực từ F→ có đặc điểm:

    + Điểm đặt tại trung điểm đoạn dòng điện

    + Có phương vuông góc với I→ và B→, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái

    + Độ lớn: F = B.I.l.sin α (với α là góc tạo bới I→ và B→)

Trong đó: B là cảm ứng từ (đơn vị là Tesla – T); I là cường độ dòng điện (A); l là chiều dài của sơi dây (m).

- Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái xòe rộng, sao cho lòng bàn tay hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa chỉ chiều dòng điện, khi đó ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ.

Lưu ý:

    + Chiều của cảm ứng từ bên ngoài nam châm là chiều vào Nam (S) ra Bắc (N)

    + Quy ước:

    : Có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi ra.

    : Có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi vào.

    : Có phương, chiều là phương chiều của mũi tên và nằm trên mặt phẳng vẽ nó.

Ví dụ 1: Hãy áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều (của một trong ba đại lượng F→, B→, I→) còn thiếu trong các hình vẽ sau đây:

Hướng dẫn:

Trước tiên ta phát biểu quy tắc bàn tay trái:

Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái xòe rộng, sao cho lòng bàn tay hứng các đường sức từ, chiều từ cổ tay đến các ngón tay giữa chỉ chiều dòng điện, khi đó ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ.

Ví dụ 2: Một dây dẫn có chiều dài 10 m được đặt trong từ trường đều có B = 5.10^-2 T. Cho dòng điện có cường độ 10 A chạy qua dây dẫn.

a) Xác định lực từ tác dụng lên dây dẫn khi dây dẫn đặt vuông góc với B→.

b) Nếu lực từ tác dụng có độ lớn bằng 2,5√3 N. Hãy xác định góc giữa B→ và chiều dòng điện ?

Hướng dẫn:

a) Lực từ F→ có đặc điểm:

    + Điểm đặt tại trung điểm đoạn dây mang dòng điện

    + Có phương vuông góc với I→ và B→, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái

    + Độ lớn: F = B.I.l.sin α = (5.10^-2).10.10.sin 90° = 5 (N)

b) Ta có: F = B.I.l.sin α

Ví dụ 3: Cho đoạn dây MN có khối lượng m, mang dòng điện I có chiều như hình, được đặt vào trong từ trường đều có vectơ B→ như hình vẽ. Biểu diễn các lực tác dụng lên đoạn dây MN (bỏ qua khối lượng dây treo)

Hướng dẫn:

    + Các lực tác dụng lên đoạn dây MN gồm: Trọng lực P→ đặt tại trọng tâm (chính giữa thanh), có chiều hướng xuống; Lực căng dây T→ đặt vào điểm tiếp xúc của sợi dây và thanh, chiều hướng lên; Lực từ F→: áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định được F→ có phương thẳng đứng, chiều hướng lên như hình.

    + Các lực được biểu diễn như hình.

Ví dụ 4: Treo đoạn dây dẫn MN có chiều dài l = 25 cm, khối lượng của một đơn vị chiều dài là 0,04 kg/m bằng hai dây mảnh, nhẹ sao cho dây dẫn nằm ngang. Biết cảm ứng từ có chiều như hình vẽ, có độ lớn B = 0,04 T. Cho g = 10 m/s².

a) Xác định chiều và độ lớn của I để lực căng dây bằng 0.

b) Cho I = 16A có chiều từ M đến N. Tính lực căng mỗi dây ?

Hướng dẫn:

a) Lực căng dây bằng 0 nghĩa là dây nằm lơ lững ⇒ P→ + F→ = 0 ⇒ F→ = - P→

    + Do đó lực từ F→ phải có chiều hướng lên. Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được chiều của dòng điện có chiều từ N đến M.

    + Mặt khác ta cũng có: F = P ⇔ B.I.l.sin 90° = mg 

    + Mật độ khối lượng của sợi dây: d = m/l

    + Vậy: 

b) Khi dòng điện có chiều từ M đến N thì lực từ F→ có chiều hướng xuống. Do lực căng dây T→ có chiều hướng lên nên: T = P + F = mg + BIl

    + Mật độ khối lượng của sợi dây: d = m/l

    + Vậy:

    + Vì có hai sợi dây nên lực căng mỗi sợi là T₁ = T₂ = T/2 = 0,13 (N)