Quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái là phương pháp được dùng để xác định chiều của lực điện từ. Vậy quy tắc bàn tay trái được phát biểu như thế nào? Ứng dụng quy tắc bàn tay trái ra sao? Hãy cùng tìm xem xét trong bài viết dưới đây nhé.

Lý thuyết quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái (hay quy tắc nắm bàn tay trái) là phần lý thuyết quan trọng trong bộ môn vật lý, khi nó dùng để xác định chiều của lực điện từ. Vậy lực điện từ, từ trường là gì? Quy tắc bàn tay trái được phát biểu như nào?

Lực điện từ

Lực điện từ là đại lượng gồm hai phần đó là lực điện do điện trường tạo ra và lực từ do từ trường tạo ra. Điều này được thể hiện rất rõ trong biểu thức toán học cổ điển về lực điện từ khi chúng ta đã biết tính chất của hạt mang điện và cường độ điện từ trường. Cụ thể biểu thức như sau:

F = q(E + v.B)

Trong đó:

• E là véctơ cường độ điện trường tại vị trí của hạt mang điện tích.
• q là điện tích của hạt.
• v là véctơ vận tốc của hạt
• B là véctơ cảm ứng từ tại vị trí của hạt.

Chiều của lực điện từ phụ thuộc vào chiều của đường sức từ và chiều của dòng điện chạy bên trong dây dẫn. Chiều của lực điện từ được xác định dựa trên việc sử dụng quy tắc nắm bàn tay trái.

Từ trường

Từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt, tồn tại bao xung quanh các hạt mang điện tích có sự chuyển động như nam châm hay dòng điện,... Từ trường gây ra lực từ, tác động lên vật mang từ tính đặt trong nó. Để kiểm tra sự hiện diện của từ trường có xung quanh một vật hay không thì bạn hãy thử bằng cách đưa vật đó tới gần một vật có tính từ. Ngày nay, cách để dễ dàng xác định từ trường nhất là sử dụng nam châm. Bình thường kim nam châm luôn ở trạng thái cân bằng theo hướng N - B, khi có từ trường nó sẽ bị lệch hướng, nên chúng ta có thể dễ dàng nhận biết.

Quy tắc bàn tay trái

Quy tắc bàn tay trái (còn gọi là quy tắc bàn tay trái của Fleming) là một quy tắc trực quan áp dụng cho động cơ điện. Quy tắc này được phát hiện bởi kỹ sư, nhà vật lý học John Ambrose Fleming vào những năm cuối thế kỷ 19. Đây là một cách đơn giản để tìm ra hướng chuyển động trong động cơ điện. Quy tắc bàn tay trái phát biểu như sau:

Giả thuyết: Khi một dòng điện đi 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 2 đại lượng là từ trường và dòng điện chạy qua.

Quy tắc bàn tay trái: Ngón tay cái, ngón trỏ và ngón giữa dùng để thể hiện các trục hay hướng của các đại lượng vật lý, ngón cái biểu thị chiều chuyển động của lực, ngón trỏ chỉ hướng của từ trường và ngón giữa là chiều của dòng điện chạy qua.

Quy tắc nắm bàn tay trái dựa trên cơ sở lực từ tác động lên dây điện theo biểu thức toán học:

F = I.dl.B

Trong đó:

• F là lực từ
• I là cường độ dòng điện
• dl là vectơ có độ dài bằng độ dài đoạn dây điện và hướng theo chiều dòng điện
• B là véc tơ cảm ứng từ trường.

Ứng dụng quy tắc bàn tay trái

Dựa vào hình vẽ ta đặt bàn tay trái sao cho chiều các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra một góc 90° chỉ chiều của lực điện từ.

Một số quy ước:

(•) biểu diễn vectơ có có phương vuông góc với mặt phẳng quan sát, có chiều rời xa người quan sát.

(+) biểu diễn vectơ có có phương vuông góc với mặt phẳng quan sát, có chiều hướng về người quan sát.

Bài tập ứng dụng quy tắc bàn tay trái

Sau đây là một số dạng bài tập tự luận, trắc nghiệm thường gặp khi áp dụng quy tắc nắm bàn tay trái. Bài tập có đi kèm lời giải nên dễ dàng ghi nhớ và thực hành.

Dạng 1: Bài tập tự luận

Câu 1: Bạn hãy xác định chiều của lực điện từ, chiều của dòng điện, chiều đường sức từ và tên từ cực trong các trường hợp được biểu diễn trên hình 30.2a, b, c trong sách giáo khoa. Được biết (•) biểu diễn vectơ có có phương vuông góc với mặt phẳng quan sát, có chiều rời xa người quan sát. (+) biểu diễn vectơ có có phương vuông góc với mặt phẳng quan sát, có chiều hướng về người quan sát.

Cách giải: Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được định chiều của lực điện từ (F), chiều của dòng điện (I), chiều đường sức từ và tên từ cực như hình vẽ:

Câu 2: Giả thiết cho đoạn dây MN có khối lượng (m), mang dòng điện (I) có chiều như hình vẽ, được đặt vào trong từ trường đều có vectơ (B). Bạn hãy biểu diễn các lực tác dụng lên đoạn dây MN (bỏ qua khối lượng dây treo).

Cách giải: Từ hình vẽ ta có các lực tác dụng lên đoạn dây MN gồm:

• Trọng lực (P) đặt tại trọng tâm (chính giữa thanh), có chiều hướng xuống;
• Lực căng dây (T) đặt vào điểm tiếp xúc của sợi dây và thanh, chiều hướng lên;
• Áp dụng quy tắc bàn tay trái ta xác định được lực từ (F) có phương thẳng đứng, chiều hướng lên như hình.

Câu 3: Bạn hãy xác định chiều của một trong ba đại lượng: lực từ(F), véc tơ cảm ứng điện từ (B), cường độ dòng điện (I) còn thiếu trong các hình vẽ sau đây dựa trên quy tắc nắm bàn tay trái.

Đáp án:

Dạng 2: Bài tập trắc nghiệm

Câu 1: Cho một dây dẫn AB có thể trượt tự do trên hai thanh ray dẫn điện MC và ND được đặt trong từ trường mà đường sức từ vuông góc với mặt phẳng MCDN như hình vẽ, có chiều đi về phía sau mặt tờ giấy về phía mắt ta. Hỏi thanh AB sẽ chuyển động theo hướng nào?

• A. Hướng F2
• B. Hướng F4
• C. Hướng F1
• D. Hướng F3

Cách giải: Áp dụng quy tắc bàn tay trái. Ta có hướng lực từ sẽ có hướng theo lực điện từ F1 → Đáp án đúng là C

Câu 2: Bạn hãy quan sát hình vẽ dưới đây và chọn đáp án đúng nhất.

• A. Hình d
• B. Hình a
• C. Hình c
• D. Hình b

Cách giải: Áp dụng quy tắc bàn tay trái với dây CD với chiều dòng điện đi từ C đến D. Ta có chiều của lực từ hướng lên. Từ đó ta thấy hình c là đúng nhất → Đáp án đúng là C

Câu 3: Cho một mặt cắt thẳng đứng của một đèn trong máy thu hình được vẽ như trong hình vẽ dưới đây. Tá có tia AA' biểu diễn cho chùm electron đến đập vào màn huỳnh quang M, các ống dây L1, L2 dùng để định hướng chùm tia electron theo phương nằm ngang. Hãy cho biết chùm tia electron chuyển động từ A đến A' thì lực điện từ tác dụng lên các electron có chiều như thế nào?

Cách giải: Chiều dòng điện ngược chiều với chiều chuyển động của các electron tức là từ A' đến A. Áp dụng quy tắc bàn tay trái. Ta có chiều lực từ thẳng góc với mặt phẳng tờ giấy và từ sau ra trước → Đáp án đúng là D

Quy tắc bàn tay trái là một trong những quy tắc đơn giản dùng để xác định chiều của lực điện từ (F). Trên đây là các phần lý thuyết quan trọng và bài tập vận dụng hay gặp, giúp bạn có thể nắm vững quy tắc này.