Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 5: Từ trường tĩnh - Đỗ Quốc Huy

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 5: Từ trường tĩnh - Đỗ Quốc Huy

1. Th.S Đỗ Quốc Huy BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chuyên đề: TỪ TRƯỜNG TĨNH (Để download tài liệu này, hãy đăng nhập vào diễn đàn của trang web champhay.com)
2. MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, SV phải : Xác định được vectơ cảm ứng từ của dòng điện thẳng, tròn, ống dây soneloid, toroid. Xác định được lực từ, lực Lorentz. Nêu được các định lí O – G, Ampère
3. NỘI DUNG I – K/N từ trường và các đại lượng đặc trưng II – Cảm ứng từ của các dòng điện III - Đường cảm ứng từ - Từ thông. IV – Các định lý quan trong về từ trường. V - Lực từ tác dụng lên dòng điện. VI - Điện tích chuyển động trong từ trường. VII – Công của lực từ.
4. I – TỪ TRỪỜNG & CÁC ĐL ĐẶC TRƯNG: 1 – Tương tác từ - Từ trường: ➢Tương tác từ: là tương tác giữa dòng điện với dđiện. ➢Từ trường là môi trường vật chất xung quanh các dòng điện và tác dụng lực từ lên các dòng điện khác đặt trong nó. 2 – Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường: Mỗi điểm trong từ trường được đặc trưng bởi vectơ → → cảm ứng từ B và vectơ cường độ từ trường H → → B Đơn vị đo cảm ứng từ B là T (tesla). H =  Đơn vị đo cường độ từ trường H 0 là A/m (ampe trên mét).
5. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 1 – Định luật Biot – Savart - Laplace: → Vectơ cảm ứng từ gây bởi một dB phần tử dòng điện: → → → → M 0 r d B= (Id x r )  → 4r 3 O Id • Có phương: vuông góc với mp chứa phần tử dđ và điểm khảo sát. → •Có chiều: theo qui tắc đinh ốc hoặc nắm tay phải. • Độ lớn:  Id dB dB=0 .sin 4r 2 • Điểm đặt: tại điểm khảo sát.
6. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 2 – Nguyên lý chồng chất từ trường: → dB Vectơ cảm ứng từ gây bởi một → r M dòng điện bất kì: I → →→ Id B= d B dd → B2 → Vectơ cảm ứng từ gây bởi B nhiều dòng điện: →→ → BB=  i B1 i
7. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 3 – Vectơ cảm ứng từ của dòng điện thẳng:  →→ Id .sin  2 B= d B B== dB 0 B 4r 2 h M → dd dd dd + dB h.d h → =h.cotg  d = ; r = →  r 2 Id sin sin  1 • Có phương: Vuông góc với mp chứa dđ và A điểm khảo sát •Có chiều: → Qui tắc đinh ốc hoặc nắm tay phải B • Độ lớn:  I B=0 (cos  − cos  ) 4h 12 • Điểm đặt: Tại điểm khảo sát.
8. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 3 – Vectơ cảm ứng từ của dòng điện thẳng: 2 B 0I B= (cos 12 − cos  ) h M → 4h + B Nửa đ M thuộc I thẳng đthẳng  1 chứa dđ A  I  I B0= B = 0 B = 0 2h 4h A M M I B A I B A I B M
9. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 4 – Vectơ cảm ứng từ của dòng điện tròn: → → dB →→ →→ → dBn B= d B =+d Btn d B = dBn M → dBt dd dd dd dd h r 0Id B= dBn = dB.cos =2 .cos R 4r O dd dd dd I • Có phương: Là trục của vòng dây •Có chiều: → Qui tắc đinh ốc hoặc nắm tay phải B • Độ lớn:  IR 2 B = 0 2(R2+ h 2 ) 3/2 • Điểm đặt: Tại điểm khảo sát.
10. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 4 – Vectơ cảm ứng từ của dòng điện tròn: → B  IR 2 Tại tâm O  I B = 0 B = 0 M 2(R2+ h 2 ) 3/2 O 2R h O Cung tròn chắn R góc ở tâm 2 : O 2  I I → 0 B.O = pm 2R Mômen từ của dòng điện tròn: →→ Hay: p= IS pm = I S m → Có phương vuông góc mp dòng điện; có chiều pm xác định theo qui tắc đinh ốc hoặc nắm tay phải.
11. II – CẢM ỨNG TỪ CỦA CÁC DĐ: 5 – Cảm ứng từ trong lòng ống dây điện: Toroid Soneloid N B=  nI =  . .I 00L n: mật độ vòng dây (số vòng quấn trên mỗi mét chiều dài).
12. III – ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG: 1 – Đường cảm ứng từ (đường sức từ): Là đường mà tiếp tuyến với nó tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại→ điểm đó. Chiều của đường cảm ứng từ là chiều của B
13. III – ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG: Đặc điểm của các đường cảm ứng từ: •Các đường cảm ứng từ không cắt nhau. •Mật độ các đường cảm ứng → từ tỉ lệ với độ lớn của B •Đường cảm ứng từ là đường khép kín, đi ra ở cực N, đi vào cực S của nam châm. •Tập hợp các đường sức từ gọi là từ phổ. Từ phổ cho biết sự phân bố từ trường một cách trực quan.
14. III – ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG: Từ trường của Trái Đất:
15. III – ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG: 2 – Từ thông: → → n B Từ thông gởi qua yếu tố diện tích dS là dS → → →→ dm = BdScos = Bd S d S= n .dS Từ thông gởi qua một mặt (S) bất kì: →→ = Bd S m (S) (S) → Mặt kín thì n hướng ra ngoài. Đơn vị đo từ thông là vêbe (Wb)
16. III – ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ - TỪ THÔNG: 2 – Từ thông: Ý nghĩa: Từ thông cho biết số đường sức từ gởi qua mặt (S). →→ =m Bd S =m 0 =m BS (S) Từ thông của từ trường đều gởi  =BS.cos m qua một diện tích phẳng.
17. IV – CÁC ĐL QUAN TRỌNG VỀ TỪ TRƯỜNG: 1 – Định lý O – G (đl Gauss): Từ thông gởi qua một mặt kín bất kì thì luôn bằng không →→ Bd S= 0 → Hay div B= 0 (S) Ý nghĩa: • Không tồn tại các “từ tích”. • Đường cảm ứng từ phải là đường khép kín. • Từ trường là trường xoáy.
18. IV – CÁC ĐL QUAN TRỌNG VỀ TỪ TRƯỜNG: 2 – Định lý Ampère (đlý dòng toàn phần): Lưu thông của vectơ cường độ từ trường dọc theo một đường cong kín bất kì thì bằng tổng đại số các dòng điện xuyên qua diện tích giới hạn bởi đường cong kín đó. →→ →→ Hd= Ik Hay I1 I2  rot H= j I 3 (C) k (C) Qui ước: dòng nào tuân theo qui tắc đinh ốc sẽ có dấu +. →→ Hd= I = I + I − I  k 1 2 3 (C) k
19. V – LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN: → 1 – Công thức Ampère: dF Lực từ tác dụng lên một phần tử → dòng điện: → → → B d F= [Id ,B]  → Id • Có phương: vuông góc với mp chứa phần tử dđ và vectơ cảm ứng từ. → •Có chiều: theo qui tắc bàn tay trái. dF • Độ lớn: dF= BId .sin • Điểm đặt: tại phần tử dđ. →→ F= d F Lực từ tác dụng lên một dòng điện bất kì: dd
20. V – LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN: 2 – Từ trường đều tác dụng lên dđ thẳng: → → → → → F F== d F I( x B) → dd → → IB B IB⊥  → I F= BI F0= • Có phương: vuông góc với mp chứa dđ và vectơ cảm ứng từ. → •Có chiều: theo qui tắc bàn tay trái. F • Độ lớn: F= BI .sin • Điểm đặt: tại trung điểm của dđ.
21. V – LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN: 3 – Tương tác giữa 2 dđ thẳng song song: I1 I2 I1 I2 d Hai đđ // cùng chiều thì hút, ngược chiều thì đẩy nhau. Lực tương tác trên mỗi mét chiều dài: FII f == 0 1 2 2d
22. V – LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN: 4 – Từ trường đều tác dụng lên khung dây: a) Mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ: → F2 I I → → → F1 F3 + B I I I I I I → F4 Lực từ có xu hướng làm khung dây bị biến dạng
23. V – LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN: 4 – Từ trường đều tác dụng lên khung dây: b) Mặt phẳng k/dây không vuông góc với đường sức từ: Lực từ làm quay khung dây. Mômen của lực từ: → → → M= p .B.sin  = BIS.sin  M= pm x B m
24. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 1 – Lực Lorentz: → → → FL = q[v,B] →→ • Có phương: vuông góc với mp chứa vectơ (v,B) → theo qui tắc bàn tay trái đối với đt +, •Có chiều: bàn tay phải đối với đt -. FL • Độ lớn: FL = | q | B.v.sin • Điểm đặt: tại điện tích.
25. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 2 – Điện tích chuyển động trong từ trường đều: →→ → a) Nếu vectơ vận tốc đầu vB 0 =F0L Đt cđ thẳng đều →→ theo hướng cũ b) Nếu vectơ vận tốc đầu vB 0 ⊥ : Điện tích chuyển r động tròn đều. → FL → Lực Lorentz: v0 → + 2 B + v F= | q | B.v = ma = m L r r mv Bán kính quĩ đạo: r = 2m | q | B Chu kì quay: T = | q | B
26. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 2 – Điện tích chuyển động trong từ trường đều: → → c) Nếu vectơ vận tốc đầu v 0 tạo với B một góc . → → Theo phương B lực Lorentz = 0 nên v⊥ đt chuyển động thẳng đều.  → → v Theo phương ⊥ B lực Lorentz làm đt chuyển động tròn đều. h Kết quả: quĩ đạo của đt là đường xoắn lò xo. mv⊥ mv0 .sin  2m Bán kính xoắn: r == Chu kì: T = | q | B | q | B | q | B 2m Bước xoắn: h= v .T = v .cos  . 0 | q | B
27. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 3 – Đ/tích ch/động trong t/tr không đều – bẫy từ: Theo đl bảo toàn mômen động lượng: mv2 L= mrv =⊥ = const x ⊥ | q | B(x) 22 1/2 vv⊥⊥0 B(x) = =v⊥⊥ v0 (1) B(x) B0 Bo Lực Lorentz không làm thay x đổi tốc độ, nên: 2 2 2 2 O x v= v + v⊥ = v0 (2) Mà v= vcos  ; v⊥⊥ = vsin  ; v0 = v 0 sin  0 → v → 1/2 ⊥ v (1), (2) suy ra: B(x) 2 v= v00 1 − .sin   B0 → v
28. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 3 – Đ/tích ch/động trong t/tr không đều – bẫy từ: 1/2 B(x) 2 (3) v= v00 1 − .sin  B0 (3) suy ra: đt không thể xuyên qua miền có B(x) lớn. Nó sẽ bị phản xạ ngược trở lại tại điểm có hoành độ xh có B(x) = Bh thỏa: x B O x B = 0 h sin2  Nếu từ trường có dạng đối xứng qua mp x = 0 0 thì bất kì hạt điện tích nào rơi vào từ trường này đều có thể bị bắt bẫy, nó chuyện động xoắn ốc qua lại giữa hai mặt phẳng x = xh và x = – xh. Ta nói hạt điện tích bị rơi vào bẫy từ.
29. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 3 – Đ/tích ch/động trong t/tr không đều – bẫy từ:
30. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 4 – Hiệu ứng Hall: + + + + + + + → + j + + + - - - - - - - - → B Hiện tượng xuất hiện các điện tích trái dấu trên bề mặt vật dẫn đang tải điện khi nó đặt trong từ Nguyên nhân: do lực Lorentz trường gọi là hiệu ứng tác dụng lên các đt chuyển Hall. động trong từ trường.
31. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 4 – Hiệu ứng Hall: Hiệu điện thế Hall FFdL= | q | E= | q | Bv Uj H = B d n0 q Bjd UHH== R Bjd nq0 1 R H = h/số Hall nq0
32. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 5 - Ứng dụng:
33. VI – ĐIỆN TÍCH CĐ TRONG TỪ TRƯỜNG: 5 - Ứng dụng:
34. VII – CÔNG CỦA LỰC TỪ: → A= Fdx = BI .dx = BIdS = I.d  F → m + B I A= I. m dx
35. TƯƠNG QUAN ĐIỆN – TỪ: ĐIỆN TỪ Xung quanh điện tích có Xung quanh dòng điện điện trường có từ trường. Đặc trưng cho điện trường Đặc trưng cho từ trường tại tại mỗi điểm là vectơ mỗi điểm là vectơ cảm cường độ điện trường E ứng từ B Vectơ cđđt gây bởi một Vectơ cảm ứng từ gây bởi điện tích điểm: một yếu tố dòng điện: → → → → →→0 Q r Q d B= 3 [Id , r ] E== k22 . er 4r r r 4 0 r
36. TƯƠNG QUAN ĐIỆN – TỪ: ĐIỆN TỪ Hằng số điện: Hằng số từ: – 12 – 7 0 = 8,85.10 F/m 0 = 4 .10 H/m Hệ số điện môi:  Hệ số từ môi:  Vectơ cảm ứng điện: Vectơ cuờng độ TT: → →→ → B DE= 0 H = 0 Đường sức điện Đường sức từ Điện thông  E Từ thông m
37. TƯƠNG QUAN ĐIỆN – TỪ: ĐIỆN TỪ → → → Lực điện trường: Lực từ: d F= [Id ,B] →→ → → → F= q E FL = q[v,B] Định lý O – G: Định lý O – G: →→ q →→  trong(S) Ed S = Bd S= 0 0 (S) (S) Lưu thông của vectơ cđđt Lưu thông của vectơ cđtt →→ →→ Ed= U Hd= Ik AB  k AB (C)