Lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường đều môn Vật Lý 11 năm 2021-2022

- Phân tích lực từ tác dụng lên từng đoạn dây của khung dây. Từ đó tính lực tổng hợp tác dụng lên khung hoặc momen lực tác dụng lên khung.

- Nếu dây gồm N vòng, độ lớn của lực từ sẽ tăng lên N lần.

- Momen lực được xác định bởi: \(M=F.\,l\,\,\left( N.\,m \right)\) trong đó: F  là lực làm cho khung quay. \(l\) là độ dài cánh tay đòn.

Ví dụ 1: Khung dây hình chữ nhật có \(AB=a=10\) cm, \(BC=b=5\) cm gồm 20 vòng dây nối tiếp với nhau có thể quay quanh cạnh AB thẳng đứng, khung có dòng điện 1 A chạy qua và đặt trong từ trường đều có \(\overrightarrow{B}\) nằm ngang, \(\left( \overrightarrow{B},\overrightarrow{n} \right)=30{}^\circ \), \(B=0,5\) T. Tính mômen lực tác dụng lên khung.

A. \({{5.10}^{-2}}\) N.m.

B. \(2,{{5.10}^{-2}}\) N.m.                                       

C. \({{10}^{-2}}\) N.m.

D. \({{3.10}^{-2}}\) N.m.

Lời giải

Ta có: \(M=NIBS\sin \alpha =20.1.0,5.0,1.0,05.\sin 30{}^\circ =2,{{5.10}^{-2}}\) \(\left( N.\,m \right)\)

Vậy momen lực từ đặt lên khung là \(2,{{5.10}^{-2}}\) (N.m)

Đáp án B.

Ví dụ 2: Dòng điện có cường độ \({{I}_{1}}=4\) A chạy trong dây dẫn thẳng dài. Khung dây dẫn ABCD đồng phẳng với dòng \({{I}_{1}}\) có \(AB=CD=10\) cm, \(AD=BC=5\) cm. AB song song với \({{I}_{1}}\) và cách \({{I}_{1}}\)  5cm. Dòng điện chạy qua khung ABCD là \({{I}_{2}}=2\) A. Xác định lực từ tổng hợp tác dụng lên khung.

A. \(3,{{2.10}^{-6}}\) N.

B. \(1,{{6.10}^{-6}}\) N.

C. \({{2.10}^{-6}}\) N.   

D. \(1,{{5.10}^{-6}}\) N.

Lời giải

+ Từ trường do dòng \({{I}_{1}}\) gây nên tại các vị trí nằm trên cạnh khung dây và có chiều hướng vào mặt phẳng nên cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) có chiều từ ngoài vào trong hay mang dấu (+)

+ Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung dây được xác định dựa trên quy tắc bàn tay trái

+ Hợp lực tác dụng lên khung dây: \(\overrightarrow{F}=\overrightarrow{{{F}_{1}}}+\overrightarrow{{{F}_{2}}}+\overrightarrow{{{F}_{3}}}+\overrightarrow{{{F}_{4}}}\) (với \({{F}_{1}}\) trên AD, \({{F}_{2}}\) trên DC, \({{F}_{3}}\) trên CB, \({{F}_{4}}\) trên AB)

+ Do tính chất đối xứng nên lực từ gây ra tại AD và BC bằng nhau và \(\overrightarrow{{{F}_{1}}}\uparrow \downarrow \overrightarrow{{{F}_{3}}}\)

\(\Rightarrow \overrightarrow{{{F}_{1}}}+\overrightarrow{{{F}_{3}}}=\overrightarrow{0}\)

+ Ta có: 

\(\left\{ \begin{array}{l} {F_2} = {2.10^{ - 7}}.\frac{{{I_1}{I_2}}}{{d + AD}}.a\\ {F_4} = {2.10^{ - 7}}.\frac{{{I_1}{I_2}}}{d}.a \end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l} {F_2} = 1,{6.10^{ - 6}}{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} N\\ {F_4} = 3,{2.10^{ - 6}}{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} N \end{array} \right.\)

+ Vì \(\overrightarrow{{{F}_{2}}}\uparrow \downarrow \overrightarrow{{{F}_{4}}}\Rightarrow F=\left| {{F}_{2}}-{{F}_{4}} \right|=1,{{6.10}^{-6}}\) N

Đáp án B.

Ví dụ 3: Một khung dây có bán kính 10 cm, gồm 50 vòng. Trong mỗi vòng có dòng điện cường độ 10 A đi qua. Khung đặt trong từ trường đều đường sức từ song song với mặt phẳng khung, \(B=0,2\) T. Tính momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung.

A. 31,4 N.m.                     

B. 3,14 N.m.                     

C. 0,314 N.m.                   

D. 1,57 N.m.

Lời giải

Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung là

\(M=NIBS\sin \alpha =50.\pi .0,{{1}^{2}}.0,2.10.1=3,14\) N.m

Đáp án B.

Ví dụ 4: Một khung dây có bán kính 5 cm, gồm 75 vòng. Trong mỗi vòng có dòng điện cường độ 8 A đi qua. Khung đặt trong từ trường đều đường sức từ hợp với mặt phẳng khung một góc \(60{}^\circ \), \(B=0,25\) T. Tính momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung.

A. 0,59 N.m.                     

B. 0,3 N.m.                       

C. 0,2 N.m.                       

D. 0,4 N.m.

Lời giải

+ Vì đường sức từ hợp với mặt phẳng khung dây một góc \(60{}^\circ \) nên \(\left( \overrightarrow{B},\overrightarrow{n} \right)=90{}^\circ -60{}^\circ =30{}^\circ \)

+ Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung là:

\(M=NIBS\sin \alpha =75.\pi .0,{{05}^{2}}.0,25.8.\sin 30{}^\circ =0,59\) N.m.

Đáp án A.

Ví dụ 5: Một khung dây hình vuông ABCD cạnh \(a=10\) cm có dòng điện \(I=1\) A chạy qua. Khung đặt cạnh một dây dẫn thẳng dài có dòng điện \({{I}_{1}}=2\) A song song AD, cách cạnh AD một đoạn a. Xác định lực từ tổng hợp lên khung dây.

A. \({{4.10}^{-7}}\) N.   

B. \({{2.10}^{-7}}\) N.   

C. \({{3.10}^{-7}}\) N.   

D. \({{1.10}^{-7}}\) N.

Lời giải

+ Từ trường do dòng \({{I}_{1}}\) gây nên tại các vị trí nằm trên cạnh khung dây và có chiều hướng vào mặt phẳng nên cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) có phương vuông góc với khung dây.

+ Lực từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung dây được xác định dựa trên quy tắc bàn tay trái.

+ Hợp lực tác dụng lên khung dây: \(\overrightarrow{F}=\overrightarrow{{{F}_{1}}}+\overrightarrow{{{F}_{2}}}+\overrightarrow{{{F}_{3}}}+\overrightarrow{{{F}_{4}}}\) (với \({{F}_{4}}\) trên AD, \({{F}_{2}}\) trên BC, \({{F}_{3}}\) trên AB, \({{F}_{1}}\) trên CD)

+ Do tính chất đối xứng nên lực từ gây ra tại AB và CD bằng nhau và \(\overrightarrow{{{F}_{1}}}\uparrow \downarrow \overrightarrow{{{F}_{3}}}\)

\(\Rightarrow \overrightarrow{{{F}_{1}}}+\overrightarrow{{{F}_{3}}}=\overrightarrow{0}\)

+ Ta có: 

\(\left\{ \begin{array}{l} {F_2} = {2.10^{ - 7}}.\frac{{I{I_1}}}{{d + AB}}.a\\ {F_4} = {2.10^{ - 7}}.\frac{{I{I_1}}}{d}.a \end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l} {F_2} = {2.10^{ - 7}}{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} N\\ {F_4} = {4.10^{ - 7}}{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} N \end{array} \right.\)

+ Vì \(\overrightarrow{{{F}_{2}}}\uparrow \downarrow \overrightarrow{{{F}_{4}}}\Rightarrow F=\left| {{F}_{2}}-{{F}_{4}} \right|={{2.10}^{-7}}\) N     

Đáp án B.

Câu 1: Một khung dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều. Kết luận nào sau đây là không đúng?

A. Luôn có lực từ tác dụng lên tất cả các cạnh của khung

B. Lực từ tác dụng lên các cạnh của khung khi mặt phẳng khung dây không song song với đường sức từ

C. Khi mặt phẳng khung dây vuông góc với vectơ cảm ứng từ thì khung dây ở trạng thái cân bằng

D. Mômen ngẫu lực từ có tác dụng làm quay khung dây về trạng thái cân bằng bền

Câu 2: Một khung dây dẫn phẳng, diện tích S, mang dòng điện I đặt trong từ trường đều B, mặt phẳng khung dây song song với các đường sức từ. Mômen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây là:

A. M = 0       

B. M = IBS       

C. M = IB/S       

D. M = IS/B

Câu 3: Một khung dây mang dòng điện I đặt trong từ trường đều, mặt phẳng khung dây vuông góc với đường cảm ứng từ (Hình vẽ). Kết luận nào sau đây là đúng về lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây

A. bằng không

B. có phương vuông góc với mặt phẳng khung dây

C. nằm trong mặt phẳng khung dây, vuông góc với các cạnh và có tác dụng kéo dãn khung

D. nằm trong mặt phẳng khung dây, vuông góc với các cạnh và có tác dụng nén khung

Câu 4: Một khung dây mang dòng điện I đặt trong từ trường đều, mặt phẳng khung dây chứa các đường cảm ứng từ, khung có thể quay xung quanh một trục 00' thẳng đứng nằm trong mặt phẳng khung (Hình vẽ). Kết luận nào sau đây là đúng?

A. lực từ tác dụng lên các cạnh đều bằng không

B. lực từ tác dụng lên cạnh NP & QM bằng không.

C. lực từ tác dụng lên các cạnh triệt tiêu nhau làm cho khung dây đứng cân bằng

D. lực từ gây ra mômen có tác dụng làm cho khung dây quay quanh trục 00'

Câu 5: Khung dây dẫn hình vuông cạnh a = 20 (cm) gồm có 10 vòng dây, dòng điện chạy trong mỗi vòng dây có cường độ I = 2 (A). Khung dây đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 (T), mặt phẳng khung dây chứa các đường cảm ứng từ. Mômen lực từ tác dụng lên khung dây có độ lớn là:

A. 0 (Nm)       

B. 0,016 (Nm)       

C. 0,16 (Nm)       

D. 1,6 (Nm)

Câu 6: Chọn câu sai

Mômen ngẫu lực từ tác dụng lên một khung dây có dòng điện đặt trong từ trường đều

A. tỉ lệ thuận với diện tích của khung.

B. có giá trị lớn nhất khi mặt phẳng khung vuông góc với đường sức từ.

C. có giá trị lớn nhất khi mặt phẳng khung song song với đường sức từ.

D. phụ thuộc vào cường độ dòng điện trong khung.

Câu 7: Một khung dây phẳng nằm trong từ trường đều, mặt phẳng khung dây chứa các đường sức từ. Khi giảm cường độ dòng điện đi 2 lần và tăng cảm ừng từ lên 4 lần thì mômen lực từ tác dụng lên khung dây sẽ:

A. không đổi       

B. tăng 2 lần       

C. tăng 4 lần       

D. giảm 2 lần

Câu 8: Một khung dây dẫn hình chữ nhật ABCD đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 5.10^-2 (T). Cạnh AB của khung dài 3 (cm), cạnh BC dài 5 (cm). Dòng điện trong khung dây có cường độ I = 5 (A). Giá trị lớn nhất của mômen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây có độ lớn là:

A. 3,75.10^-4 (Nm)       

B. 7,5.10^-3 (Nm)       

C. 2,55 (Nm)       

D. 3,75 (Nm)

Câu 9: Một khung dây cứng hình chữ nhật có kích thước 2 (cm) x 3 (cm) đặt trong từ trường đều. Khung có 200 vòng dây. Khi cho dòng điện có cường độ 0,2 (A) đi vào khung thì mômen ngẫu lực từ tác dụng vào khung có giá trị lớn nhất là 24.10^-4 (Nm). Cảm ứng từ của từ trường có độ lớn là:

A. 0,05 (T)       

B. 0,10 (T)       

C. 0,40 (T)       

D. 0,75 (T)

ĐÁP ÁN PHẦN LUYỆN TẬP

1A	2B	3C
4D	5C	6B
7B	8A	9B

 

Trên đây là toàn bộ phần nội dung tài liệu Lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường đều môn Vật Lý 11 năm 2021-2022. Để xem thêm nhiều tài liệu tham khảo hữu ích khác 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.