Để xác định cảm ứng từ B trong lòng của nam châm, một nhóm học sinh thiết kế thí nghiệm như hình bên, bộ thí nghiệm gồm có: nguồn điện không đổi có suất điện động là E, điện trở trong r, khóa
14/21
Để xác định cảm ứng từ B trong lòng của nam châm, một nhóm học sinh thiết kế thí nghiệm như hình bên, bộ thí nghiệm gồm có: nguồn điện không đổi có suất điện động là E, điện trở trong r, khóa K, biến trở \({R_b}\), ampe kế lí tưởng, cân điện tử kẹp cố định, nam châm hình chữ U được đặt trên cân điện tử, thanh nhôm \(AB\) có điện trở \(R\) và có chiều dài l lớn hơn vùng từ trường, dây nối có điện trở không đáng kể. Coi từ trường trong lòng nam châm là đều. Đặt AB cố định nằm ngang, vuông góc với từ trường giữa các cực của nam châm. Ban đầu K mở, số chỉ của cân điện tử là \({m_1}\). Khi K đóng, cân điện tử hiển thị giá trị là \({m_2}\). Lấy \(g = 10{\rm{\;m}}/{{\rm{s}}^2}\).
Đóng khóa K, điều chỉnh biến trở sao cho số chỉ ampe kế tăng lên thì lực từ tác dụng lên AB sẽ giảm.
Khi khóa K đóng, lực từ tác dụng lên AB có chiều hướng lên trên.
\({m_1}\) lớn hơn \({m_2}\).
Độ lớn cảm ứng từ trong lòng của nam châm là \(B = \frac{{\left( {{m_2} - {m_1}} \right)\left( {R + {R_b} + r} \right)g}}{{E.l}}\).
b) Khi K đóng, mạch kín, có dòng điện chạy qua thanh nhôm AB. Dựa vào kí hiệu của nguồn điện, dòng điện đi ra từ cực dương, qua khóa K, qua biến trở, ampe kế rồi đến đầu A của thanh nhôm. Do đó, dòng điện chạy trong thanh nhôm có chiều từ A đến B.
Đường sức từ bên ngoài nam châm có chiều đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam, nên véc tơ cảm ứng từ \(\vec B\) có chiều từ phải sang trái.
Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được lực từ \(\vec F\) tác dụng lên thanh nhôm AB có chiều hướng thẳng đứng lên trên.
\( \Rightarrow \) b đúng.
a) Công thức tính độ lớn lực từ tác dụng lên thanh nhôm là \(F = B.I.l\). Khi điều chỉnh biến trở để số chỉ ampe kế (cường độ dòng điện I) tăng lên, thì độ lớn lực từ \(F\) cũng phải tăng lên tỉ lệ thuận.
⇒ a sai.
c) Theo định luật III Newton, thanh nhôm chịu tác dụng của lực từ hướng lên trên thì nam châm sẽ chịu tác dụng của một phản lực từ thanh nhôm có cùng độ lớn nhưng ngược chiều (hướng xuống dưới).
Khi K mở, không có dòng điện, số chỉ của cân là \({m_1}\), ta có: \(P = {m_1}.g\).
Khi K đóng, lực tác dụng lên mặt cân điện tử bao gồm trọng lực của nam châm và phản lực từ do thanh nhôm đè xuống. Số chỉ của cân lúc này là \({m_2}\), tương ứng với tổng lực ép:
\({F_{ep}} = P + {F_{tu}} = {m_1}.g + {F_{tu}} = {m_2}.g\).
Vì lực từ \({F_{tu}} > 0\) nên \({m_2}.g > {m_1}.g\), suy ra \({m_2} > {m_1}\).
⇒ c sai.
d) Từ phương trình lực ép ở trên, ta rút ra được độ lớn lực từ:
\({F_{tu}} = {m_2}.g - {m_1}.g = \left( {{m_2} - {m_1}} \right).g\).
Mặt khác, công thức tính lực từ là \({F_{tu}} = B.I.l\).
Cường độ dòng điện trong mạch được tính theo định luật Ohm cho toàn mạch:
\(I = \frac{E}{{R + {R_b} + r}}\).
Thay biểu thức của I vào công thức lực từ, ta có: \(\left( {{m_2} - {m_1}} \right).g = B.\frac{E}{{R + {R_b} + r}}.l\).
\( \Rightarrow B = \frac{{\left( {{m_2} - {m_1}} \right)\left( {R + {R_b} + r} \right)g}}{{E.l}}\)
⇒ d đúng.