Từ trường tác dụng lực lên dây dẫn có dòng điện đặt trong nó. Lực này gọi là lực điện từ, và nó chính là "động lực" giúp động cơ điện quay.
Hai người đẩy xe
Trong vật lý
Chiều dòng điện và chiều từ trường
Trong đời thường
Hai người đẩy vuông góc tạo lực theo hướng thứ ba
Lực điện từ xuất hiện theo hướng vuông góc với cả dòng điện lẫn từ trường — giống như hai lực vuông góc tạo ra chuyển động theo hướng thứ ba.
- Khung dây có dòng điện đặt trong từ trường chịu lực điện từ ở hai cạnh đối diện.
- Hai lực này ngược chiều nhau, tạo thành một ngẫu lực làm khung quay.
- Cổ góp điện đảo chiều dòng điện mỗi nửa vòng để khung quay liên tục.
- Đó là nguyên lí của động cơ điện một chiều.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Bật dòng điện qua khung dây: khung bắt đầu quay.
- 2Đổi chiều dòng điện: khung quay theo chiều ngược lại.
- 3Tăng cường độ dòng điện: lực từ mạnh hơn, khung chịu tác dụng lớn hơn.
- 4Nhận xét: đây chính là nguyên lí biến điện năng thành cơ năng của động cơ điện.
Động cơ điện một chiều
- Lực điện từ tác dụng lên khung
- Khung dây dẫn quay
- Chiều dòng điện
- Dòng điện
- 2.0 A
- Chiều quay
- Cùng chiều kim đồng hồ
- Năng lượng
- Điện năng → Cơ năng
Dòng điện càng lớn khung quay càng nhanh. Đảo chiều dòng điện thì khung quay ngược lại — đúng như quy tắc bàn tay trái.
Động cơ điện
- Điện năng → Cơ năng
- Cho dòng điện vào khung dây
- Khung quay sinh công
Máy phát điện
- Cơ năng → Điện năng
- Quay khung dây trong từ trường
- Sinh ra dòng điện cảm ứng
Suy nghĩ một chút
Nếu giữ nguyên dòng điện nhưng đổi cực của nam châm, chiều lực điện từ thay đổi thế nào?
Lực điện từ quanh em
Từ quạt máy đến xe điện, mọi động cơ đều chạy nhờ lực điện từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện.
Quạt điện, máy bơm, máy giặt quay được
Bên trong là động cơ điện: khung dây có dòng điện đặt trong từ trường nam châm, chịu lực điện từ làm quay trục. Rotor quay kéo cánh quạt hoặc trống máy. Đây là chuyển hoá điện năng thành cơ năng.
Lý thuyết của bài: Lực điện từ trên dây dẫn có dòng điện làm quay khung dây.
Tàu điện, xe đạp điện chạy được
Động cơ điện trong xe nhận điện từ pin/đường dây và sinh lực điện từ làm quay bánh. Đảo chiều dòng điện vào động cơ sẽ đổi chiều lực, giúp xe tiến hoặc lùi — ứng dụng trực tiếp của quy tắc bàn tay trái.
Lý thuyết của bài: Đổi chiều dòng điện → đổi chiều lực điện từ.
Loa và ổ cứng máy tính dùng lực điện từ để dịch chuyển chính xác
Trong ổ cứng, cuộn dây tác dụng lực điện từ lên một nam châm nhỏ để dịch đầu đọc chỉ vài micromet. Lực điện từ có thể điều khiển rất chính xác và nhanh, nên được dùng trong các cơ cấu định vị tinh vi.
Lý thuyết của bài: Độ lớn lực điện từ điều khiển được bằng dòng điện.
Máy phát điện ở nhà máy thuỷ điện tạo ra điện
Nước chảy mạnh làm quay tuabin, tuabin quay khung dây trong từ trường của máy phát. Khung dây chuyển động trong từ trường sinh ra dòng điện cảm ứng — đúng là quá trình ngược của động cơ điện.
Lý thuyết của bài: Chuyển động trong từ trường sinh dòng cảm ứng (cơ → điện).
Vì sao động cơ điện cần cổ góp (bộ đổi chiều)?
Nếu dòng điện không đổi, khung dây chỉ quay nửa vòng rồi kẹt ở vị trí cân bằng. Cổ góp tự đảo chiều dòng điện mỗi nửa vòng, giữ lực điện từ luôn cùng chiều quay, giúp khung quay liên tục.
Lý thuyết của bài: Đảo chiều dòng điện định kì để duy trì chuyển động quay.
Vì sao lực điện từ vuông góc với cả dòng điện lẫn từ trường?
Trực giác:Dòng điện bản chất là các hạt mang điện đang chuyển động. Khi một hạt mang điện chuyển động trong từ trường, nó chịu một lực vuông góc với cả hướng chuyển động (dòng điện) lẫn hướng từ trường. Tổng hợp lại cho toàn dây dẫn, ta có lực điện từ.
- 1Dòng điện là dòng điện tích chuyển động (ví dụ electron). Mỗi điện tích chuyển động trong từ trường chịu một lực từ.
- 2Lực này có phương vuông góc với vận tốc của điện tích (chiều dòng điện) và vuông góc với từ trường — đây là tính chất của lực từ.
- 3Vì mọi điện tích trong dây đều cùng chuyển động theo chiều dòng điện, các lực nhỏ cộng lại thành một lực tổng tác dụng lên cả dây dẫn.
- 4Quy tắc bàn tay trái chỉ là cách ghi nhớ nhanh hướng của lực tổng hợp đó: đường sức từ vào lòng bàn tay, dòng điện theo cổ tay → ngón tay, lực theo ngón cái.
- 5Đổi chiều dòng điện hoặc đổi chiều từ trường đều làm đảo lực — phù hợp với việc lực phụ thuộc cả hai yếu tố này.
Ý nghĩa: Lực điện từ không có công thức "tự nhiên" mà xuất phát từ việc hạt mang điện chuyển động trong từ trường bị đẩy theo hướng vuông góc. Quy tắc bàn tay trái là công cụ ghi nhớ hướng lực đó; động cơ điện là ứng dụng lớn nhất.