Trong khung kiến thức Vật lý lớp 11, các bạn học sinh sẽ được giới thiệu nhiều chủ đề rất thú vị như quy tắc bàn tay trái. Đặc biệt, đây cũng là một trong những kiến thức có mặt trong nội dung ôn tập thi tốt nghiệp THPT Quốc gia. Vì vậy, nhằm giúp các bạn học sinh có thể tự ôn tập lại phần kiến thức này, maynenkhikhongdau.net sẽ tổng hợp lại những lý thuyết liên quan đến quy tắc này cùng bài tập minh họa nhé!
Quy tắc bàn tay trái là gì?
Quy tắc bàn tay trái hay còn gọi là quy tắc nắm bàn tay trái là một quy tắc trực quan dành cho động cơ điện.
Giả thuyết: Khi một cuộn dây được đặt trong từ trường của một nam châm, có dòng điện chạy qua; cuộn dây đó sẽ chịu tác động bởi một lực vuông góc với hướng của 2 đại lượng đó là dòng điện chạy qua và từ trường.
Quy tắc: Ngón trỏ, ngón tay cái và ngón giữa dùng để thể hiện các trục hoặc hướng của một đại lượng vật lý. Trong đó: ngón trỏ chỉ hướng của từ trường; ngón cái biểu thị chiều chuyển động của lực và ngón giữa chính là chiều mà dòng điện chạy qua.
Quy ước:
- Biểu diễn vectơ có chiều rời xa người quan sát và có phương vuông góc với mặt phẳng quan sát bằng dấu [•].
- Biểu diễn vectơ có chiều hướng về người quan sát và có phương vuông góc với mặt phẳng quan sát bằng dấu [+].
Phát biểu Quy tắc bàn tay trái lớp 11 như sau: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực điện từ.
Bài tập quy tắc bàn tay trái SGK lớp 11
Ví dụ 1
Hãy xác định chiều của dòng điện, chiều của đường sức từ và chiều của lực điện từ cũng như tên từ cực trong các trường hợp được biểu diễn trên hình 30.2a, b và c trong SGK dưới đây.
Trong đó, kí hiệu ⨀ chỉ dòng điện có chiều đi từ phía sau ra phía trước và có phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy. Kí hiệu ⨁ chỉ dòng điện có chiều đi từ phía trước ra phía sau và có phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy.
Lời giải
Ta có thể xác định được chiều của lực điện từ [F], chiều của dòng điện [I], chiều của đường sức từ và tên từ cực dựa trên quy tắc nắm bàn tay trái, như hình vẽ sau.
Bài tập trường điện từ có lời giảiVí dụ 2
Một dây dẫn thẳng và một nam châm hình chữ U được bố trí như hình minh họa a, b, c và d. Dòng điện trong dây dẫn có chiều đi từ trước ra sau trang giấy và có phương vuông góc với mặt phẳng trang giấy. Vậy lực điện từ sẽ tác dụng vào dây dẫn theo hướng thẳng đứng lên trên trong trường hợp nào?
Lời giải
Chiều của lực điện từ sẽ được xác định thông qua việc áp dụng quy tắc nắm bàn tay trái. Cụ thể: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ có thể hướng vào lòng bàn tay, theo chiều từ cổ tay sang ngón tay giữa, dựa theo chiều của dòng điện thì chiều của lực điện từ sẽ được xác định theo hướng mà ngón tay cái choãi ra. Vậy quan sát hình trên sẽ thấy câu trả lời nằm ở đáp án B.
Ví dụ 3
Hãy xác định chiều của đường sức từ trên cục nam châm [ghi tên cực của nam châm].
Lời giải
Ta có thể xác định được các cực và chiều của B→ như sau:
Theo quy tắc trong nắm bàn tay trái, veto cảm ứng từ thường có phương thẳng đứng và có chiều từ dưới đi lên. Đường sức từ của của vecto cảm ứng có chiều ra Bắc, vào Nam nên cực của của nam châm sẽ là S [cực Nam], cực dưới của nam châm là N [cực Bắc] [như hình 1].
Như hình [2], đường sức từ của vecto cảm ứng từ có chiều vào Nam, ra Bắc nên cực trên của nam châm là N [cực Bắc]; cực dưới là S [cực Nam].
Ở hình [3], vecto cảm ứng từ sẽ có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ và có hướng từ trong ra ngoài. [áp dụng theo quy tắc]
Maynenkhikhongdau.net vừa cùng bạn tìm hiểu những lý thuyết và phát biểu liên quan đến quy tắc bàn tay trái trong chương trình Vật lý lớp lớp 11. Hy vọng với những kiến thức vừa chia sẻ, bạn đọc, đặc biệt là những em học sinh có thể sử dụng làm nguồn tham khảo hữu ích trong quá trình học tập, nghiên cứu.
1. Quy tắc bàn tay trái
- Quy tắc bàn tay trái [còn gọi là quy tắc Fleming] là quy tắc định hướng của lực do một từ trường tác động lên một đoạn mạch có dòng điện chạy qua và đặt trong từ trường.
- Quy tắc bàn tay trái:Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực điện từ.
Quy tắc này dựa trên cơ sở lực từ tác động lên dây điện theo biểu thức toán học:
F = I dl×B
Ở đây:
* F là lực từ
* I là cường độ dòng điện
* dl là véc tơ có độ dài bằng độ dài đoạn dây điện và hướng theo chiều dòng điện
* B là véc tơ cảm ứng từ trường.
- Phương của lực F là phương của tích véc tơ của dl và B, và do đó có thể xác định theo quy tắc bàn tay trái như trên.
- Cũng có thể xác định phương của F theo quy tắc bàn tay phải [xem thêm các bài viết về quy tắc bàn tay phải và tích véc tơ].
2. Quy tắc nắm bàn tay phải
Quy tắc bàn tay phải:Nắm bàn 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.
Ứng dụng
a. Xác định từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng dài
- Với dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng dài, đường sức từ của nó là những đường tròn có tâm nằm trên dây dẫn điện và vuông góc với dòng điện. Khi đó, sử dụng quy tắc bàn tay phải để xác định chiều của đường sức từ như sau:
+ Nắm bàn tay phải sao cho ngón cái choãi ra nằm dọc theo dây dẫn I, khi đó, ngón cái chỉ theo chiều dòng điện về điểm Q, các ngón tay còn lại khum theo chiều đường sức từ trên đường tròn tâm O [O nằm trên dây dẫn I].
+ Công thức tính độ lớn cảm ứng từ:
B = 2. 10-7. I/r
Trong đó: B: Độ lớn cảm ứng từ tại điểm cần xác định I: Cường độ dòng điện của dây dẫn r: Khoảng cách từ điểm cần xác định đến dây dẫn [m]
b. Xác định từ trường của dòng điện trong dây dẫn uốn thành vòng tròn
- Đường sức từ đi qua đường dẫn uốn thành vòng tròn có 2 loại: Đường sức từ đi qua tâm O của vòng tròn dây dẫn điện là đường thẳng dài vô hạn.
- Những đường sức từ còn lại là những đường cong đi vào từ mặt nam và đi ra từ mặt bắc của dòng điện tròn đó.
-Công thức tính độ lớn cảm ứng từ tại tâm O của vòng dây:
B = 2. 10-7. π. N. I/r
Trong đó: B: là độ lớn cảm ứng từ tại điểm cần tính N: Số vòng dây dẫn điện I: Cường độ dòng điện [A] r: bán kính vòng dây [m]
c. Xác định từ trường của dòng điện chạy trong ống dây hình trụ.
- Dây dẫn điện quấn quanh ống dây hình trụ. Trong ống dây, các đường sức từ là những đường thẳng song song, khi đó chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc bàn tay phải như sau:
+ Nắm bàn tay phải rồi đặt sao cho chiều khum bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện quấn trên ống dây, khi đó, ngón cái choãi ra chỉ hướng của đường sức từ. Đường sức từ đi vào từ mặt nam và đi ra mặt bắc của ống dây đó.
+Công thức tính độ lớn cảm ứng từ trong lòng ống dây:
B = 4. 10-7. π. N. I/l
Trong đó: B: là độ lớn cảm ứng từ tại điểm cần tính N: Số vòng dây dẫn điện I: Cường độ dòng điện [A] r: bán kính vòng dây [m] l: là chiều dài ống dây hình trụ [m]
3. Cách giải bài tập Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳngáp dụng quy tắc bàn tay trái
a. Phương pháp
- Lực từF→có đặc điểm:
+ Điểm đặt tại trung điểm đoạn dòng điện
+ Có phương vuông góc vớiI→ và B→, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái
+ Độ lớn: F = B.I.l.sin α [với α là góc tạo bớiI→ và B→]
Trong đó:B là cảm ứng từ [đơn vị là Tesla – T]; I là cường độ dòng điện [A];llà 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:
b. Ví dụ bài tập
Ví dụ 1:Hãy áp dụng quy tắc bàn tay trái để xác định chiều [của một trong ba đại lượngF→,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 = 5.10-2T. 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 vớiB→
b] Nếu lực từ tác dụng có độ lớn bằng 2,5√3N. Hãy xác định góc giữaB→và chiều dòng điện ?
Hướng dẫn:
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 lựcP→đặt tại trọng tâm [chính giữa thanh], có chiều hướng xuống; Lực căng dâyT→đặt vào điểm tiếp xúc của sợi dây và thanh, chiều hướng lên; Lực từF→: áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định đượcF→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 dàil= 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:
+ 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]