Tổng hợp bài toán về Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện môn Vật lý 11

LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN KHUNG DÂY CÓ DÒNG ĐIỆN

1. Ôn tập lý thuyết

- Đường sức từ nằm ngang trong mặt phẳng khung:

+) Lực từ tác dụng lên hai đoạn dây AB và CD bằng 0 (vì AB và CD song song với đường sức từ).

+) Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy các lực từ tác dụng lên hai đoạn dây BC và DA như hình a. Hai lực này hợp thành một ngẫu lực và làm cho khung dây quay quanh trục  OO'.

- Đường sức từ vuông góc với mặt khung:

Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta thấy các lực từ tác dụng lên khung dây như hình b. Các lực này không có tác dụng làm cho khung quay.

- Mô men ngẫu lực (lực từ)

\(M = NBIS\sin \theta \)

Trong đó:     M (N.m) là momen ngẫu lực

S (m²) là diện tích của khung

N là số vòng của khung dây

\(\overrightarrow n \) là vecto pháp tuyến của khung dây

\(\theta  = \left( {\overrightarrow B ,\overrightarrow n } \right)\) là góc hợp bởi cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của khung.

2. Bài tập minh họa

Bài 1: Khung dây hình chữ nhật có diện tích \(S = 25c{m^2}\) gồm có 10 vòng nối tiếp có cường độ dòng điện I = 2A đi qua mỗi vòng dây. Khung dây đặt thẳng đứng trong từ trường đều có B = 0,3 T. Tính momen lực từ đặt lên khung dây khi: a) Cảm ứng từ \(\overrightarrow B \) song song với mặt phẳng khung dây. b) Cảm ứng từ \(\overrightarrow B \) vuông góc với mặt phẳng khung dây.

Lời giải:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là:  

\(M = NBIS\sin \theta \)

a) Khi cảm ứng từ \(\overrightarrow B \) song song với mặt phẳng khung dây thì góc \(\theta = {90^ \circ }\) nên:

\(M = NBIS = {15.10^{ - 3}}\left( {N.m} \right)\)

b) Khi cảm ứng từ \(\overrightarrow B \) vuông góc với mặt phẳng khung dây thì góc \(\theta = {0^ \circ }\) nên:

\(M = NBIS.\sin {0^ \circ } = 0\)

Bài 2: Một khung dây có kích thước 2cm x 3cm đặt trong từ trường đều. Khung dây gồm 200 vòng. Cho dòng điện có cường độ 0,2 A đi vào khung dây. Momem ngẫu lực từ tác dụng lên khung có giá trị lớn nhất bằng \({24.10^{ - 4}}Nm\) . Hãy tính cảm ứng từ của từ trường.

Lời giải:

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là:  

\(M = NBIS\sin \theta \)

Với \(\theta = \left( {\overrightarrow B ,\overrightarrow n } \right)\) là góc hợp bởi giữa vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây. Trong quá trình khung quay thì chỉ có \(\theta \) thay đổi vì thế M_max khi và chỉ khi \(\sin \theta = 1\) nghĩa là

\(\begin{array}{l}
\theta  = \left( {\overrightarrow B ,\overrightarrow n } \right) = {90^ \circ }\\
 \Rightarrow {M_{\max }} = NBIS\\
 \Rightarrow B = \frac{{{M_{\max }}}}{{NI.S}} = \frac{{{{24.10}^{ - 4}}}}{{200.0,{{2.6.10}^{ - 4}}}} = 0,1\left( T \right)
\end{array}\)

Bài 3: Cho một khung dây có dạng hình tam giác đều ABC (hình vẽ). Khung dây được đặt trong từ trường đều sao cho các đường sức từ song song với mặt phẳng khung dây và vuông góc với cạnh BC của khung dây. Cho biết cạnh của khung dây bằng a và dòng điện trong khung có cường độ I. Hãy chỉ ra các lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây và thành lập công thức momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung.

Lời giải:

Góc hợp bởi dòng điện \({\overrightarrow I _{AB}}\) và vecto  bằng 150°, góc hợp bởi dòng điện \({\overrightarrow I _{BC}}\) và vecto \(\overrightarrow B \) bằng 90°, góc hợp bởi dòng điện \({\overrightarrow I _{CA}}\) và vecto \(\overrightarrow B \) bằng 30°.

Lực từ tác dụng lên các cạnh AB, BC, CA là:

\(\left\{ \begin{array}{l}
{F_{AB}} = BIa.\sin {150^ \circ } = 0,5BIa\\
{F_{BC}} = BIa.\sin {90^ \circ } = BIa\\
{F_{CA}} = BIa.\sin {30^ \circ } = 0,5BIa
\end{array} \right.\)

Theo quy tắc bàn tay trái thì phương và chiều của các lực \({\overrightarrow F _{AB}},{\overrightarrow F _{BC}},{\overrightarrow F _{CA}}\) được xác định như hình vẽ.

Gọi \({\overrightarrow F _M}\) là lực tổng hợp của 2 lực \({\overrightarrow F _{AB}},{\overrightarrow F _{CA}}\) thì:

\({F_M} = {F_{AB}} + {F_{CA}} = BIa\)

Và \({\overrightarrow F _M}\) có điểm đặt trung điểm M của AH và có chiều như hình.

Vậy \({\overrightarrow F _M}\) và \({\overrightarrow F _{BC}}\) tạo thành một cặp ngẫu lực tác dụng lên khung.

Momen của ngẫu lực tác dụng lên khung dây không phụ thuộc vào việc chọn trục quay. Do đó ta có thể chọn trục quay đi qua H, khi đó momen của ngẫu lực tác dụng lên khung lúc đó là:

\(\begin{array}{l}
M = {F_M}.MH = BIa.\frac{{AH}}{2}\\
 = BIa.\frac{{a\sqrt 3 }}{4} = BI\frac{{{a^2}\sqrt 3 }}{4}
\end{array}\)

...

---Để xem tiếp nội dung của Chuyên đề Tổng hợp bài toán về Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện, các em vui lòng đăng nhập vào trang hoc247.net để xem online hoặc tải về máy tính---

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Tổng hợp bài toán về Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện môn Vật lý 11 năm 2019. Để xem toàn bộ nội dung các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập .

Các em quan tâm có thể tham khảo thêm các tài liệu cùng chuyên mục:

• Tóm tắt kiến thức và công thức chương 1 Điện tích- Điện tích trường môn Vật lý 11

• Bài tập tổng hợp Điện tích- Điện trường hay và khó Vật lý 11

• Bài tập tổng hợp nâng cao Điện tích- Định luật Culong Vật lý 11

Chúc các em học tập tốt !