Cùng với quy tắc tay phải, quy tắc nắm bàn tay trái cũng là một phần lý thuyết quan trọng được ứng dụng trong vật lý và toán học. Trong bài viết sau đây, trường THPT Ngô Thì Nhậm cung cấp đến các bạn câu trả lời cho câu hỏi Quy tắc bàn tay trái là gì? Lý thuyết và bài tập, xin mời các bạn tham khảo.
Quy tắc bàn tay trái là gì?
Quy tắc bàn tay trái (còn gọi là quy tắc bàn tay trái của Fleming) là một trong 2 quy tắc trực quan, Quy tắc bàn tay trái cho động cơ điện, Quy tắc bàn tay phải cho máy phát điện, Phát hiện bởi kỹ sư, nhà vật lý học John Ambrose Fleming, vào cuối thế kỷ 19, như một cách đơn giản để tìm ra hướng chuyển động trong động cơ điện, hoặc hướng của dòng điện trong máy phát điện.
Khi một dòng điện chạy qua một cuộn dây được đặt trong một từ trường của nam châm, cuộn dây dẫn sẽ chịu tác động bởi một lực vuông góc với hướng của cả từ trường và dòng điện chạy qua. Quy tắc bàn tay trái, minh họa ảnh bên, Ngón tay cái, ngón trỏ và ngón giữa để biểu diễn các trục hay hướng của các đại lượng vật lý, ngón cái biểu diễn chiều chuyển động của lực, ngón trỏ chỉ hướng của từ trường và ngón giữa là chiều của dòng điện chạy qua. Áp dụng tương tự cho quy tắc bàn tay phải đối với máy phát điện.
Phát biểu quy tắc bàn tay trái
Giả thiết: Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường của nam châm thì một lực tác dụng lên cuộn dây vuông góc với hướng hai đại lượng lần lượt là từ trường và cường độ dòng điện chạy qua
Hướng dẫn quy tắc bàn tay trái: ngón cái, ngón trỏ, ngón giữa biểu thị trục hoặc chiều của đại lượng vật lý được biểu thị tương ứng, trong đó ngón cái chỉ chiều chuyển động của lực, ngón trỏ chỉ chiều của từ trường, ngón giữa chỉ chiều dòng điện chạy qua nó.
Quy tắc nắm bàn tay trái được phát biểu trên cơ sở lực từ có tác động lên dây điện dựa vào biểu thức toán học sau: F = I.dl.B
Trong đó:
- F biểu thị cho đại lượng lực từ
- I biểu thị cho đại lượng cường độ dòng điện
- dl biểu thị cho vectơ có độ dài mà bằng độ dài đoạn dây điện/dây dẫn và hướng theo chiều của dòng điện
- B biểu thị cho vectơ cảm ứng của từ trường.
Xác định quy tắc bàn tay trái như thế nào?
Để xác định quy tắc bàn tay trái, ta đặt bàn tay sao cho đường sức từ hướng vào bên trong lòng bàn tay. Chiều dòng điện chính là chiều từ cổ tay đến ngón giữa. Phương của lực từ chính là chiều của ngón cái lan ra góc 90 độ.
Đặt bàn tay trái sao cho đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa là chiều dòng điện, ngón cái lan ra một góc 90 độ chỉ phương của lực điện từ.
Quy tắc bàn tay trái có các quy tắc sau:
(•) được sử dụng để biểu diễn một vectơ có hướng vuông góc với mặt phẳng quan sát và hướng xa người quan sát.
(+) dùng để biểu diễn vectơ theo phương vuông góc với mặt phẳng quan sát và hướng về người quan sát.
Những khái niệm liên quan
Lực điện từ
Lực điện từ được mang bởi photon và chịu trách nhiệm cho cấu trúc nguyên tử, lực hút và lực đẩy liên quan đến điện tích và từ tính, các phản ứng hóa học, và tất cả các hiện tượng điện từ khác.
Lực điện từ có phạm vi vô hạn và tuân theo định luật nghịch đảo bình phương. Lực điện từ mạnh hơn lực yếu và lực hấp dẫn nhưng yếu hơn lực hạt nhân mạnh.
Lực điện từ được xác định bởi công thức:
F=q ( E+v×B)
Trong trường hợp E là cường độ điện trường, v là vận tốc của hạt, B là cảm ứng từ trường, q là điện tích của hạt mang điện.
Trong đó, phần (E+VxB) là vectơ. Phương trình cho chúng ta biết rằng tổng lực là tổng của điện trường và tích vectơ của vận tốc của hạt và từ trường, tất cả nhân với điện tích của hạt. Tích vectơ tạo ra một lực theo phương vuông góc với cả 2, phù hợp với phần trước.
Từ trường là gì?
Từ trường có thể được xác định theo một số cách, tùy thuộc vào ngữ cảnh. Tuy nhiên, về mặt tổng thể, nó là một trường vô hình tác dụng lực từ lên các chất nhạy cảm với từ tính. Nam châm cũng tác động lực và mômen lên nhau thông qua từ trường mà chúng tạo ra.
Từ trường có thể được biểu thị bằng các đường sức từ liên tục xuất hiện từ các cực từ trường tìm kiếm phía bắc và đi vào các cực tìm kiếm phía nam. Mật độ của các đường biểu thị độ lớn của trường, tập trung nhiều hơn ở các cực (nơi có trường mạnh) và càng ra xa các cực càng nhỏ dần và yếu đi.
Từ trường có thể được tạo ra trong vùng lân cận của nam châm, bởi dòng điện hoặc điện trường thay đổi. Chúng có bản chất lưỡng cực, có nghĩa là chúng có cả cực nam và bắc của nam châm. Đơn vị tiêu chuẩn quốc tế (SI) được sử dụng để đo từ trường là Tesla, trong khi từ trường nhỏ hơn được đo bằng Gauss (1 Tesla = 10.000 Gauss).
Ứng dụng quy tắc nắm tay trái
Quy tắc bàn tay trái dùng để xác định chiều chuyển động động cơ điện.
Trong trường hợp cuộn dây được đặt trong không gian từ trường, khi có có dòng điện chạy qua sẽ có một lực tác động vuông góc với dòng điện và cả từ trường.
Ứng dụng quy tắc bàn tay trái, đặt bàn tay trái giữ thẳng 3 ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa, khi đó nón cái chỉ chiều của lực từ, chiều của từ trường là chiều của ngón trỏ, ngón giữa biểu diễn chiều dòng điện.
Xác định từ trường của dòng điện trong dây dẫn dài
Với dòng điện được chạy trong dây dẫn thẳng dài, đường sức từ của dòng điện chính là những đường tròn có tâm nằm trên dây dẫn điện, đồng thời sẽ vuông góc với dòng điện. Lúc này sẽ dùng quy tắc bàn tay phải như sau: Nắm bàn tay phải để ngón cái chĩa ra theo dây dẫn l. Lúc đó ngón cái sẽ chỉ theo chiều của dòng điện về Q, những còn còn lại theo đường sức từ đến đường tròn tâm O.
B= 2.10-7/ l/r
Xác định từ trường của dòng điện trong dây dẫn thành vòng tròn
Đường từ trường sẽ đi qua đường dây dẫn, sau đó uốn thành 2 loại vòng tròn:
- Đường sức từ đi qua tâm O là đường thẳng dài vô tận
- Đường sức từ còn lại chính là đường cong đi từ nam và ra bắc của dòng điện đó
B = 2. 10-7. π. N. I/r
Xác định từ trường của dòng điện trong ống hình trụ
Đường dây dẫn điện được quấn xung quanh hình trụ. Ống dây này gồm những đường thẳng song song, lúc này chiều của đường sức từ cũng được xác định theo quay tắc tay phải như sau: Bạn sẽ nắm tay phải sao cho bốn ngón tay khum vào hướng theo dòng điện ở ống dây. Ngón cái chĩa ra chính là hướng của đường sức từ.
B = 4. 10-7. π. N. I/l
Phương pháp giải bài tập
Cách xác định sự định hướng của kim nam châm thử
- Xác định chiều dòng điện ở trong ống dây.
- Áp dụng quy tắc nắm tay phải để xác định được chiều đường sức từ.
- Suy ra được định hướng của kim nam châm thử.
Xác định sự tương tác giữa hai ống dây có dòng điện
- Áp dụng quy tắc nắm tay phải để xác định được chiều đường sức từ khi đã biết chiều dòng điện.
- Xác định được các cực của ống dây từ đó suy ra được lực tương tác giữa chúng.
Xác định chiều quay của khung dây hay chiều dòng điện trong khung
Áp dụng quy tắc bàn tay trái để:
- Xác định chiều lực từ khi biết chiều của đường sức từ và chiều dòng điện. Từ đó suy ra được chiều quay của khung dây.
- Xác định chiều lực từ tác dụng lên khung dây khi đã biết chiều quay của nó.
- Xác định chiều dòng điện ở trong khung khi biết được chiều của đường sức từ và chiều của lực từ.
- Từ đó suy ra được chiều dòng điện ở trong khung dây dẫn.
Giải bài tập Động cơ điện một chiều SGK Vật lí 9
Câu C1 | Trang 82 SGK Vật Lý 9
Treo thanh nam châm lại gần một ống dây như hình 30.1. Đóng mạch điện.
a) Hiện tượng gì sẽ xảy ra với thanh nam châm ?
b) Khi đổi chiều dòng điện chạy qua những vòng dây, hiện tượng sẽ xảy ra?
c) Hãy làm thí nghiệm để kiểm tra xem các câu trả lời trên của em có đúng hay không?
Gợi ý đáp án
a) Khi ta đóng khóa K, dòng điện chạy từ cực dương (+) sang cực âm (-), áp dụng quy tắc nắm tay phải ta xác định được chiều đi ra của đường sức từ là từ đầu B của cuộn dây.
⇒ Đầu B là cực Bắc vậy nên thanh nam châm sẽ bị hút vào ống dây.
b) Khi ta đổi chiều của dòng điện vậy nên đầu B của ống dây sẽ là cực Nam ⇒ Thanh nam châm bị đẩy ra.
c) Làm thí nghiệm như ở hình vẽ 30.1 SGK để kiểm nghiệm lại kết quả.
Câu C2 | Trang 83 SGK Vật Lý 9
Hãy xác định chiều của dòng điện, chiều của lực điện từ, chiều của đường sức từ và tên các cực từ ở trong các trường hợp biểu diễn tại hình 30.2a,b,c. Cho biết rằng kí hiệu (+) chỉ dòng điện có phương vuông góc cùng với mặt phẳng trang giấy và có chiều đi từ phía trước ra phía đằng sau; kí hiệu (.) chỉ dòng điện có phương vuông góc cùng với mặt phẳng trang giấy và có chiều đi từ phía sau ra phía trước.
Gợi ý đáp án
Sử dụng quy tắc bàn tay trái ta đã xác định được chiều của dòng điện, chiều của lực điện từ, chiều của đường sức từ và tên các cực từ như hình vẽ:
Câu C3 | Trang 84 SGK Vật Lý 9
Hình 30.3 mô tả một khung dây dẫn ABCD (có thể quay xung quanh trục OO’) có dòng điện chạy qua đặt ở trong từ trường, tên các cực của nam châm và chiều của dòng điện đã chỉ rõ trên hình.
a) Hãy vẽ lực F1 tác dụng vào đoạn dây dẫn AB và lực F2 tác dụng vào đoạn dây CD.
b) Cặp lực F1 và F2 khiến cho khung dây quay theo chiều nào?
c) Để cho khung dây dẫn ABCD quay theo chiều ngược lại thì cần phải làm thế nào?
Gợi ý đáp án
a) Theo quy tắc bàn tay trái ta xác định được hai lực tác dụng vào khung dây dẫn ABCD như hình sau:
b) Cặp lực F1 và F2 làm khung dây chuyển động ngược với chiều kim đồng hồ.
c) Để cho khung dây dẫn ABCD quay theo chiều ngược lại thì cần phải chuyển chiều dòng điện ngược lại có nghĩa là dòng điện sẽ đi từ D.
Video về quy tắc nắm bàn tay trái
Kết luận
Trên đây là toàn bộ lý thuyết và bài tập về quy tắc năm bài tay trái, hy vọng đã giúp các bạn đã biết được cách áp dụng quy tắc bàn tay trái để giải các dạng bài tập liên quan. Cảm ơn các bạn đã đọc bài viết!
Đăng bởi: THPT Ngô Thì Nhậm
Chuyên mục: Giáo Dục
