Luận văn tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý - Tin học

ĐIỆN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG TRONG TỪ
TRƯỜNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG


Giáo Viên Hướng Dẫn:
Thạc sĩ : PHẠM VĂN TUẤN

Sinh Viên Thực Hiện: LÊ THANH LIÊM
MSSV : 1070323
Lớp: Sư Phạm Vật Lí – Tin Học K33

Cần Thơ, 2011

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

Mới đó, mà đã được bốn năm kể từ ngày em bước chân vào
cổng trường Đại Học Cần Thơ. Trong suốt thời gian qua, em đã
được quý thầy cô Bộ môn Vật Lí, Khoa sư phạm của Trường đã tận
tình giảng dạy và hướng dẫn trong quá trình học tập, rèn luyện bản

................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
Chữ ký

Trang 3


Luận văn tốt nghiệp

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................
................................................................................................

1.1. Tương tác từ, định lý Ampere ................................................................... 11
1.1.1. Tương tác từ ................................................................................ 11
1.1.2. Định luật Ampe ........................................................................... 13
1.2. Từ trường , định lý Biot - Savart – Laplace................................................ 14
1.2.1. Khái niệm từ trường ...................................................................... 14
1.2.2. Cảm ứng từ B và cường độ từ trường H ........................................ 15
1.2.2.1. Định lý Biot- Savart- Laplace .............................................. 15
1.2.2.2. Nguyên lý chồng chất từ trường .......................................... 17
1.2.2.3. Áp dụng định lý Biot- Savart- Laplace ................................ 18
1.3. Từ thông, định lý gauss cho từ trường ....................................................... 21
1.3.1. Đường cảm ứng từ........................................................................ 21
1.3.2. Từ thông....................................................................................... 22
1.3.3. Tính chất xoáy của từ trường ........................................................ 22
1.3.4. Định lý Gauss ............................................................................... 22
1.4. Lưu thông của vector cảm ứng từ .............................................................. 24
1.4.1. Định lý Ampere ............................................................................. 24

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

1.4.2. Áp dụng định lý Ampe .................................................................. 26
1.4.2.1. Tính cảm ứng từ tại một điểm bên trong Toroide ................ 26
1.4.2.2. Tính cảm ứng từ tại một điểm bên trong, bên ngoài một dây
điện thẳng dài vô hạn có bán kính R và cường độ I............. 27
1.4.2.3. Tính cảm ứng từ tại một điểm bên trong một ống dây điện
thẳng dài vô hạn ................................................................ 28
1.5. Tác dụng của từ trường lên dòng điện ......................................................... 29
1.5.1. Tác dụng của từ trường lên một phần tử dòng điện ........................ 29

3.3.2.2. Hiện tượng cực quang .......................................................... 48
3.3.3. Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường ............................... 50
3.3.3.1. Trong điện trường ................................................................. 50
3.3.3.2. Trong từ trường. .................................................................... 51
3.3.4. Bộ lọc vận tốc ................................................................................. 52
3 .3.5. Hiệu ứng Hall ................................................................................ 53
3.3.5.1. Hiện tượng ............................................................................ .54
3.3.5.2. Giải thích hiện tượng............................................................. 55
3.3.5.3. Ứng dụng. ............................................................................. 57
3.3.5.3.1. Đo cường độ dòng điện. .......................................... 57
3.3.5.3.2. Đo công suất điện. ................................................... 58
3.3.5.3.3. Xác định vị trí và chuyển động. ............................... 58
3.3.5.3.4. Khởi động ô-tô. ....................................................... 58
3.3.5.3.5. Dò chuyển động quay. .............................................. 58
3.3.6. Máy gia tốc. ..................................................................................... 59
3.3.6.1. Máy gia tốc Cyclotron. .......................................................... 59
3.3.6.1.1. Lịch sử hình thành. .................................................. 59
3.3.6.1.2. Nguyên lí hoạt động và cấu tạo của cyclotron .......... 59
3.3.6.2. Máy gia tốc Synchro-Cyclotron............................................. 61
3.4. Xác định điện tích riêng của các hạt mang điện ....................................... 62

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

3.4.1. Điện tích riêng của chùm tia âm cực. ............................................... 62
3.4.1.1. Nguyên tắc hoạt động ............................................................ 62
3.4.1.2. Dụng cụ ................................................................................ 62
3.4.1.3. Hoạt động .............................................................................. 63

hấp dẫn và tương tác điện từ là phổ biến. Đối với các vật thể nhỏ thì tương tác hấp dẫn rất
yếu không đáng kể, nhưng tương tác từ thì khác, có một số hệ quả mà mắt thường có thể
quan sát được như: hai thanh nam châm hút hoặc đẩy nhau, tác dụng của từ trường lên
dòng điện…Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt, được sinh ra quanh các điện tích
chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các mômen
lưỡng cực từ. Xét về bản chất, từ trường và điện trường là các biểu hiện riêng rẽ của một
trường thống nhất là điện từ trường.Và từ trường sẽ tác dụng với những đối tượng nào?
Nó có chịu ảnh hưởng của những yếu tố gì?.v.v... Trên thế giới ngày nay có những công
trình đã vượt lên trên một tầm cao mới. Đặt biệt ở Nhật Bản đã ứng dụng lực từ trường để
làm hệ thống tàu cao tốc (Phiên bản mới nhất của tàu cao tốc Shinkansen đạt tốc độ tối đa
581 km/h vào năm 2003. Tốc độ của nó trong các chuyến có hành khách là 300 km/h).
Năng lượng từ trường nếu được ứng dụng nhiều sẽ gớp phần phục vụ nhiều hơn cho cuộc
sống con người và bảo vệ môi trường. Trong tương lai nó là cơ sở để thực hiện một cuộc
cách mạng khoa học mới, vươn cao và xa hơn.
- Vì những lý do trên tôi đã quyết định chọn đề tài ”Điện tích chuyển động trong
từ trường và ứng dụng”. Trong đề tài này sẽ tìm hiểu về từ trường, từ môi, lực từ tác dụng
lên điện tích chuyển động đặt trong từ trường và một thí nghiệm chế tạo mô hình tàu chạy
bằng lực từ.
2. Mục đích
Tìm hiểu tích chất của từ trường trong các môi trường rồi đi đến tác dụng của từ
trường lên điện tích chuyển động khác đặt trong nó.
3. Nhiệm vụ:
* Đưa ra khái niệm từ trường.
* Nghiên cứu tác dụng của từ trường trong chân không và trong vật chất.
* Lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động đặt trong từ trường .
* Mô hình tàu chạy bằng lực từ.
* Thí nghiệm cho tàu chạy.

Trang 9


Tương tác giữa 2 thanh nam châm

- Năm 1820, Oersted đã phát hiện ra rằng
kim nam châm khi đặt gần một dây dẫn có dòng
điện chạy qua nó cũng bị lệch. Nếu đổi chiều
dòng điện thì kim nam châm bị lệch theo chiều
ngược lại.
(Hình 1.2)
Tương tác giữa nam châm
và dòng điện

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

(Hình 1.3)
Tương tác giữa dòng điện
với dòng điện
- Vào đầu thế kỷ 19, nhà vật lý Pháp André-Marie Ampere phát hiện rằng: hai dây
dẫn mang dòng điện cũng tương tác với nhau. Hai dây dẫn đặt song song với nhau sẽ hút
nhau nếu trong hai dây có dòng điện chạy cùng chiều, và chúng đẩy nhau nếu dòng điện
chạy ngược chiều.
- Ngoài ra, cuộn dây có dòng điện chạy qua cũng hút hoặc đẩy nhau. Mỗi cuộn
dây có dòng điện chạy qua, tương đương với một nam châm, cũng có hai cực. Cực tương
đương với cực Bắc của nam châm được gọi là cực Bắc của cuộn dây, đó là cực mà nếu
nhìn từ ngoài vào cuộn dây, ta thấy dòng điện đi ngược chiều kim đồng hồ. Hai cuộn dây
có dòng điện chạy qua hút nhau nếu hai cực khác tên của chúng gần nhau, và đẩy nhau
nếu hai cực cùng tên gần nhau.



điểm khảo sát.
+ Chiều: là chiều của dòng điện trên dây.

- Những kết quả thực nghiệm hoàn toàn xác nhận sự đúng đắn của việc tính toán
lực tương tác giữa 2 dòng điện bất kì dựa trên những nhận xét sau đây về lực tương tác




giữa 2 phần tử dòng điện I1 dl1 và I 2 dl 2 :
dF ~

1
I1 dl1 .I 2 dl2
r2


n

dF ~ sin 1 . sin  2


I 2 dl 2

2

P

- Ðộ lớn và hướng của lực phụ

điện như sau:

 

[ I 1dl1  [ I 2 dl 2  r ]]
dF  k.
r3
 trong đó: k là hệ số tỷ lệ có giá trị phụ thuộc vào hệ đơn vị.

Trang 13

(1.1)


Luận văn tốt nghiệp

* Trong hệ SI ta có: k 

0
, với  0  4 .10 7 H / m và được gọi là hằng số từ.
4

- Trong môi trường có độ từ thẩm  thì :


  0 [ I 1dl1  [ I 2 dl 2  r]]
dF 
.
4
r3

Coulomb trong tĩnh điện. Nhờ định luật này, ta có thể tính lực tương tác giữa các dòng
điện có hình dạng bất kỳ.
- Thật vậy dòng điện bao giờ cũng khép kín, nên lực tác dụng lên toàn dòng điện
sẽ là:

F


d
F


(1.4)

toandongdien

1.2. TỪ TRƯỜNG, ĐỊNH LÝ BIOT – SAVART – LAPLACE
1.2.1 Khái niệm từ trường.
- Để giải thích cơ chế tương tác từ, trong lịch sử Vật Lí học đã xuất hiện hai quan
điểm khác nhau:
 Thuyết tác dụng xa cho rằng: tương tác từ được truyền đi một cách tức thời
giữa các dòng điện và thông qua một môi trường vật chất trung gian nào.
Khi chỉ có dòng điện thì môi trường xung quanh không xảy ra sự biến đổi
nào.
 Thuyết tác dụng gần cho rằng: tương tác từ phải thông qua một môi trường
vật chất trung gian bao quanh các dòng điện. Lực tương tác được truyền từ
phần này sang phần khác của môi trường với vận tốc hữu hạn (vận tốc

Trang 14



đoạn dây ngắn dl có dòng điện dừng I chạy qua vào cảm ứng từ tại một điểm P.

(Hình 2.1)
Cảm ứng từ do một dòng điện gây
ra.

Trang 15


Luận văn tốt nghiệp







 dB vuông góc với yếu tố dòng Idl và vector r từ yếu tố dòng điện
đến điểm P.


 Độ lớn của dB tỷ lệ với dòng I và với độ dài dl và tỷ lệ nghịch với
bình phương khoảng cách r từ yếu tố dòng điện đến điểm P.








 Cả hai đều nói lên rằng: độ lớn của trường phụ thuộc vào nguồn sinh ra
chúng : điện tích tạo ra điện trường và cường độ dòng điện sinh ra từ trường.
 Cả hai trường đều giảm theo khoảng cách với quy luật tỷ lệ nghịch với r2.

- Nhưng ở đây cần thấy rằng, không giống điện tích, yếu tố dòng Idl ngoài độ
lớn còn có chiều. Do đó, cảm ứng từ của một yếu tố dòng không đối xứng quanh nó mà
phụ thuộc vào chiều của điểm đang xét so với chiều của yếu tố dòng được thể hiện bằng
tích vector trong (2.1). Và có thể xác định chiều của cảm ứng từ này bằng quy tắt bàn tay
phải:
“Giơ ngón cái của bàn tay phải hướng theo chiều dòng điện rồi khum bốn
ngón còn lại xung quanh dây dẫn, thì chiều từ cổ tay dến các ngón tay đó chính là chiều
của các đường sức từ ”.

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

(Hình 2.2)
Quy tắt bàn tay phải

1.2.2.2. Nguyên lý chồng chất từ trường :
- Thực nghiệm cho thấy cảm ứng từ cũng tuân theo nguyên lý chồng chất, tức là:


“Vector cảm ứng từ B do một dòng điện bất kì gây ra tại một điểm P bằng tổng các


vector cảm ứng từ dB do tất cả các phần tử nhỏ của dòng điện gây ra tại điểm ấy”.



điện từ B , người ta còn dùng vector cường độ từ trường H và được tính bằng biểu thức:


B
 Trong chân không: H 
(2.5)
 0

Trang 17


Luận văn tốt nghiệp

 Trong từ môi :




B
H
J
 0

(2.6)



(Trong đó J là vector từ hóa)


hợp đang xét, ta có độ lớn
dB 

 0 I dl. sin 
.
4
r2

(2.7)

Trang 18


Luận văn tốt nghiệp




( Ta đã lấy góc giữa vectơ đơn vị r và vectơ dl bằng  )
- Từ (Hình 2.3) ta có:
và

r 2 = x2 + y2

sin  

- Ngoài ra, vì dl nằm dọc theo trục x , nên dl = dx .
- Thay các biểu thức này vào (2.7), ta được
dB 

4 y

- Vì giới hạn của lim

x 

x
x2  y2

x
x2  y2



|



(2.9)

 1

B

 0 I
 0 I
.1  (1) 
4 . y
2 . y



+ dBt : là thành phần vuông góc với trục Oz.


+ dBn : là thành phần nằm trên trục Oz.

- Khi đó cảm ứng từ do một phần tử dòng điện gây ra :

 
B phantu  Bt  Bn

- Cảm ứng từ do cả dòng điện sẽ là:




B   dB   dBn   dBt
l

l

(2.12)

l



- Trong đó các thành phần :  dBt  0 ;
l



2 .r 3
2 ( R 2  z 2 ) 3 / 2

(2.13)

Với: Pm  IS : Mômen từ của dòng điện tròn.



Pm  IS.n : Vector mômen từ song song cùng chiều với B .

- Nếu z = 0 :

B0 

 0 Pm
2R 3

- Nếu R
a) Nam châm thẳng.
(Hình 3.1)
Đường sức từ

Trang 21

b) Nam châm hình chữ U.


Luận văn tốt nghiệp

1.3.2 Từ thông



n

- Là thông lượng của vector cảm ứng từ B gửi qua
một diện tích nào đó. Ta thử xét một diện tích nhỏ dS đặt
trong từ trường đều .

Bn

- Từ thông gửi qua dS có giá trị:



 
d  B.dS  BS . cos 


Nếu diện tích S là phẳng và nằm trong từ trường đều .
m 

 B.dS  B  dS  BS
(S )

(3.3)

(S )

- Đơn vị: Trong hệ SI từ thông có đơn vị là Vêbe (Wb). Dựa vào công thức (3.3),
người ta định nghĩa đơn vị của cảm ứng từ là Tesla ( ký hiệu: T ) như sau:
B

 1Wb

 1T
S 1m 2

(3.4)

Vậy: Tesla là cảm ứng từ của một từ thông đều 1 Vêbe xuyên vuông góc qua một
mặt phẳng diện tích 1 mét vuông.
1.3.3. Tính chất xoáy của từ trường:
- Nghiên cứu từ phổ của từ trường nam châm và dòng điện (H 3.1), ta nhận thấy
các đường cảm ứng từ là các đường cong kín. Định nghĩa tổng quát hơn, một trường có
các đường sức khép kín gọi là một trường xoáy. Vậy, từ trường là một trường xoáy, hay
từ trường có tính chất xoáy.
1.3.4. Định lý Gauss
- Dựa vào tính chất xoáy của từ trường (tức tính khép kín của các đường cảm ứng

ngoài mặt kín đó. Như vậy chỗ nào đường sức đi vào (   90 0 ) nên từ thông sẽ có giá trị
âm, còn chỗ nào đường sức đi ra (   90 0 ) nên từ thông sẽ có giá trị dương.
- Từ thông gửi qua toàn mặt kín:  

 
B
 dS 
( )

 BdS cos   

1

 2

(3.5)

()

- Phần mặt MNP ( đường sức đi vào):
1 

 B.dS cos 

1

0

do (   90 0 )


1



 BdS cos 

2

0

PQM

 
    B dS  0

(3.8)



 Biểu thức trên biểu hiện định lý Gauss cho từ trường, cho thấy từ
trường là một trường xoáy.
- Theo giải thích toán học ta đã chứng minh được rằng:

Trang 23


Luận văn tốt nghiệp
 

B

 HdS  0  divH  0


- Từ các biểu thức trên cho thấy từ trường là một trường xoáy. Đây chính là sự
khác biệt cơ bản giữa từ trường và trường tĩnh điện. Đường sức điện trường là những
đường cong hở, chúng bắt đầu và kết thúc trên các điện tích (hay ở vô cực). Còn các
đường sức từ trường không có điểm bắt đầu và điểm kết thúc, chúng là những đường
cong kín. Điều đó chứng tỏ trong tự nhiên không tồn tại khái niệm “từ tích”.
1.4. LƯU THÔNG CỦA VECTOR CẢM ỨNG TỪ
1.4.1. Định lý Ampe.
* (L) nằm trong mặt phẳng thẳng góc và bao quanh I


Trên (L) (Hình 4.1) lấy một đoạn vi cấp dl khi đó:
 

B
d
l
được
gọi
là
lưu
thông
của
B
dọc theo đường cong kín (L)

M



(Hình 4.1)
Lưu thông của vector cảm ứng
từ quanh một dòng điện


Luận văn tốt nghiệp

-

Nếu chọn chiều lưu thông ngược chiều lại thì

 
B
 dl  0 I < 0, có thể nói giá

trị đại số của I :
 I > 0 khi chiều lấy lưu thông thuận chiều với I
 I < 0 khi chiều lấy lưu thông ngược chiều với I
-

(L) bao quanh nhiều dòng điện (Hình 4.2):

n
 
B
d
l



từ quanh nhiều dòng điện

* (L) không bao quanh I (Hình 4.3)

B





c


B

d

b

- Ta có:
 
B
 dl 

abc

cda


 

0

0 I
( )
2



 Bdl   Brd   2 .r rd 

 0 I
0 I
(d ) 
( )

2 0
2

 
  Bdl = 0

(4.3)

cda

 0



0