Khái niệm về lực từ, quy tắc bàn tay trái và cách ứng dụng hiệu quả

1. Khái niệm về lực từ

1.1. Định nghĩa lực từ

Lực từ là lực do từ trường tác động lên một vật có hạt điện tích đang chuyển động, như khung dây, đoạn dây, hoặc vòng dây tròn có dòng điện chạy qua.

1.2. Từ trường đồng đều

Từ trường đồng đều là loại từ trường có đặc điểm giống nhau ở mọi điểm trong vùng nghiên cứu. Các đường sức từ của nó là những đường thẳng song song, cách đều nhau và cùng hướng.

Từ trường đồng đều có thể được tạo ra giữa hai cực của một nam châm hình chữ U.

1.3. Xác định lực từ do từ trường đồng đều tác động lên một đoạn dây dẫn có dòng điện

Lực từ tác động lên đoạn dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường đồng đều sẽ vuông góc với đoạn dây và các đường sức từ. Độ lớn của lực từ phụ thuộc vào cường độ dòng điện và độ mạnh của từ trường.

1.4. Ứng dụng của lực từ trong đời sống hàng ngày

Ứng dụng trong sản xuất các thiết bị như bếp từ, sạc điện thoại, nam châm điện, máy phát điện, máy biến thế, và nhiều thiết bị khác.

Có mặt trong máy tìm kim loại, hệ thống phanh từ, rơ le điện từ... Nói chung, các thiết bị có cuộn cảm thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ.

2. Lực điện từ

Lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên theo mô hình chuẩn vật lý. Được truyền bởi các photon, lực này chịu trách nhiệm cho cấu trúc nguyên tử, các lực hút và đẩy liên quan đến điện tích và từ tính, phản ứng hóa học, và tất cả các hiện tượng điện từ khác. Nó có biên độ vô hạn và theo định luật bình phương nghịch đảo, mạnh hơn lực yếu và lực hấp dẫn nhưng yếu hơn lực hạt nhân mạnh.

Lực điện từ là thành phần chủ yếu trong hầu hết các loại lực mà chúng ta quan sát trong đời sống hàng ngày, trừ lực hấp dẫn của trái đất. Hầu hết các tương tác giữa các nguyên tử đều có thể quy về lực điện từ giữa electron và proton. Lực này sinh ra các hiện tượng như sau:

- Tương tác giữa các phân tử

- Các lực kéo và đẩy khi thực hiện các tác động cơ học lên vật thể

- Tương tác giữa các quỹ đạo electron

- Điều khiển các phản ứng hóa học

3. Cảm ứng từ

3.1. Khái niệm về cảm ứng từ

Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường biểu thị độ mạnh yếu của từ trường. Nó được xác định bằng cách chia lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện, đặt vuông góc với đường cảm ứng từ, cho tích của cường độ dòng điện và chiều dài đoạn dây.

3.2. Đơn vị đo cảm ứng từ

Trong hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (T).

3.3. Véc tơ cảm ứng từ

- Hướng của véc tơ cảm ứng từ trùng với phương của từ trường tại điểm đó

Biểu thức tổng quát cho lực từ là 3.4

- Hướng theo quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái

Khái niệm về quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái: Đặt tay trái sao cho các đường sức từ vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa theo hướng dòng điện, thì ngón cái chỉ hướng của lực điện từ với góc 90 độ.

Quy tắc này dựa trên lực từ tác động lên dây dẫn theo công thức toán học:

Các yếu tố bao gồm:

Để áp dụng quy tắc bàn tay trái, đặt tay sao cho các đường sức từ vào trong lòng bàn tay. Dòng điện chảy từ cổ tay đến ngón giữa, còn ngón cái duỗi ra góc 90 độ chỉ hướng của lực từ.

Quy tắc bàn tay trái thể hiện một vectơ vuông góc với mặt phẳng quan sát và hướng về phía người quan sát.

4.2. Ứng dụng của quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái không chỉ được dùng trong hóa học và vật lý mà còn trong sinh học để xác định sự di chuyển của phân tử và phản ứng sinh học, cũng như trong các kỹ thuật điều khiển robot và thiết bị tự động.

Quy tắc bàn tay trái giúp xác định tương tác và ảnh hưởng của các lực trong các hệ thống phức tạp như phản ứng hóa học, từ trường và cảm ứng điện từ, đảm bảo tính nhất quán trong mô tả hiện tượng vật lý và hóa học để hiểu rõ hơn về các quá trình tự nhiên.

5. Các bài tập về lực từ, vectơ cảm ứng từ và quy tắc bàn tay trái

Bài tập 1. Xác định chiều của lực điện từ, chiều dòng điện và đường sức từ cùng tên từ cực trong các hình ảnh dưới đây.

Ký hiệu (•) biểu diễn vectơ vuông góc với mặt phẳng quan sát, hướng ra xa người quan sát, trong khi (+) biểu diễn vectơ vuông góc với mặt phẳng quan sát, hướng về phía người quan sát.

Giải pháp

Áp dụng quy tắc nắm tay trái để xác định chiều của lực điện từ (F), chiều dòng điện (I), đường sức từ và tên cực từ, như minh họa trong hình vẽ dưới đây.

Bài tập 2. Giả sử đoạn dây dẫn MN có khối lượng (m), mang dòng điện (I) như hình dưới, được đặt trong từ trường đều với vectơ (B). Hãy xác định các lực tác dụng lên đoạn dây dẫn MN (bỏ qua khối lượng dây treo).

Giải pháp

Dựa vào hình vẽ, các lực tác động lên đoạn dây dẫn MN bao gồm:

- Trọng lực (P) tác động tại trọng tâm của thanh, hướng xuống dưới.

- Lực căng dây (T) tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa sợi dây và thanh, hướng lên trên.

Sử dụng quy tắc nắm tay trái, ta xác định lực từ (F) có phương thẳng đứng và hướng lên trên như trong hình 2.

Bài tập 3. Đoạn dây dẫn AB có thể trượt tự do trên hai thanh ray điện MC và ND, đặt trong từ trường với đường sức từ vuông góc mặt phẳng MCDN, đi từ phía sau tờ giấy về phía người quan sát. Thanh AB sẽ chuyển động theo hướng nào?

Giải đáp

Áp dụng quy tắc nắm tay trái để xác định hướng lực từ theo lực điện từ F1. Do đó, đáp án đúng cho bài tập này là hướng của F1.

Bài tập 4. Mặt cắt đứng của một đèn trong máy thu hình được minh họa dưới đây. Tia AA' đại diện cho chùm electron va vào màn huỳnh quang M, các ống dây L1 và L2 dùng để điều chỉnh chùm tia electron theo phương ngang. Khi chùm tia electron di chuyển từ A đến A', lực điện từ tác dụng lên các electron sẽ có chiều như thế nào?

Giải đáp

Chiều của dòng điện ngược lại với chiều di chuyển của các electron, tức là từ A' đến A. Áp dụng quy tắc nắm tay trái, lực từ sẽ vuông góc với mặt giấy, hướng từ sau ra trước.

Bài tập 5. Một dây dẫn thẳng dài vô hạn với dòng điện có cường độ I = 10A. Xác định độ lớn của cảm ứng từ do dòng điện tạo ra tại điểm M, cách dây dẫn 5 cm.

Giải đáp