Trong chương trình vật lý phổ thông đặc biệt là phần điện từ học thì hai quy tắc thường được nhắc đến để xác định chiều các đại lượng vectơ là định luật bàn tay trái với định luật bàn tay phải. Tuy chỉ là quy tắc hình học đơn giản nhưng chúng lại giúp học sinh, sinh viên với kỹ sư điện giải quyết nhanh chóng nhiều bài toán liên quan đến lực từ, dòng điện với cảm ứng điện từ. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ bản chất, cách sử dụng với ứng dụng thực tiễn của hai quy tắc quan trọng này.
Định luật bàn tay trái là gì
Định luật bàn tay trái là một quy tắc dùng để xác định chiều của lực từ tác dụng lên một dây dẫn có dòng điện chạy qua nằm trong từ trường đều. Quy tắc này được áp dụng trong các hiện tượng mà lực từ tác động trực tiếp đến phần tử mang dòng điện. Là nguyên lý cơ bản trong thiết kế động cơ điện, loa điện, máy phát điện, các thiết bị từ động lực khác.
Cách thực hiện rất đơn giản. Bạn giơ bàn tay trái sao cho ba ngón cái, trỏ với giữa vuông góc với nhau. Trong đó, ngón cái chỉ chiều của lực từ mà ta cần xác định, ngón trỏ chỉ chiều của từ trường từ cực Bắc sang cực Nam, ngón giữa chỉ chiều của dòng điện chạy trong dây dẫn.
Khi các ngón tay được sắp xếp đúng, ngón cái sẽ cho ta hướng của lực từ tác dụng lên dây dẫn. Đó cũng là hướng mà dây dẫn sẽ bị đẩy hoặc kéo nếu có thể chuyển động.
Ứng dụng của định luật bàn tay trái
Định luật bàn tay trái thường được áp dụng trong các thiết bị điện có phần tử dẫn điện đặt trong từ trường và có thể chuyển động. Một ví dụ điển hình là động cơ điện một chiều. Khi cuộn dây trong động cơ được cấp dòng điện từ trường do nam châm tạo ra tác động lực lên các đoạn dây. Chiều của lực này xác định chiều quay của rôto trong động cơ. Nhờ sử dụng quy tắc bàn tay trái, người thiết kế có thể kiểm soát chính xác hướng hoạt động của động cơ.
Một ứng dụng khác là trong loa điện. Dòng điện thay đổi theo tín hiệu âm thanh chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường của nam châm. Lực từ thay đổi liên tục làm màng loa dao động theo từ đó tạo ra sóng âm. Nếu không áp dụng đúng định luật bàn tay trái để xác định hướng lực, loa sẽ không thể tạo ra âm thanh chính xác.
Định luật bàn tay phải là gì
Khác với định luật bàn tay trái, định luật bàn tay phải được dùng để xác định chiều dòng điện cảm ứng sinh ra trong một đoạn dây dẫn khi nó chuyển động trong từ trường hay khi từ thông qua nó thay đổi. Là quy tắc quan trọng trong việc phân tích các hiện tượng cảm ứng điện từ và là nền tảng trong thiết kế máy phát điện, biến áp, các thiết bị cảm biến.
Để sử dụng, bạn đưa bàn tay phải ra và sắp xếp ba ngón cái, trỏ với giữa vuông góc nhau. Ngón cái chỉ chiều chuyển động của dây dẫn hoặc phần tử dẫn điện, ngón trỏ chỉ chiều của từ trường từ cực Bắc sang cực Nam, ngón giữa sẽ cho ta chiều của dòng điện cảm ứng được sinh ra trong dây dẫn.
Lưu ý rằng định luật bàn tay phải chỉ áp dụng cho dòng điện cảm ứng do chuyển động tương đối giữa dây dẫn và từ trường, không dùng cho trường hợp dòng điện đã có sẵn trong mạch.
Ứng dụng của định luật bàn tay phải
Một ứng dụng phổ biến nhất của định luật bàn tay phải là trong máy phát điện. Khi một cuộn dây hoặc nam châm quay trong từ trường từ thông qua cuộn dây thay đổi liên tục theo thời gian. Sự thay đổi đó gây ra dòng điện cảm ứng trong dây được dẫn ra ngoài để cung cấp điện năng cho các thiết bị tiêu dùng. Việc xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng là yếu tố quan trọng để nối máy phát với hệ thống điện một cách chính xác và an toàn.
Một ứng dụng khác là trong các cảm biến tốc độ hoặc cảm biến từ trường. Khi vật thể chuyển động cắt qua từ trường, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong mạch cảm biến. Chiều của dòng điện cảm ứng sẽ thay đổi tùy theo hướng chuyển động và hướng từ trường. Sử dụng định luật bàn tay phải, kỹ sư có thể thiết kế hệ thống đo chính xác hiệu quả hơn.
Ngoài ra, định luật bàn tay phải còn được dùng trong việc xác định chiều của dòng điện trong các bài toán về cảm ứng điện từ, như xác định chiều dòng điện trong khung dây khi đưa vào hay rút ra khỏi từ trường.
So sánh định luật bàn tay trái và bàn tay phải
Dù đều là quy tắc sử dụng tay để xác định chiều các đại lượng vật lý, định luật bàn tay trái thì bàn tay phải phục vụ hai mục đích hoàn toàn khác nhau. Định luật bàn tay trái dùng để xác định chiều lực từ khi biết dòng điện và từ trường. Ngược lại, định luật bàn tay phải dùng để xác định chiều dòng điện cảm ứng khi biết chuyển động từ trường.
Cách dễ nhớ là bàn tay trái ứng với tác dụng tức khi dòng điện sinh ra lực. Bàn tay phải ứng với phản ứng tức khi chuyển động tạo ra dòng điện. Chính sự đối xứng này giúp học sinh và kỹ sư dễ dàng phân biệt với áp dụng linh hoạt hai định luật trong các tình huống cụ thể.
Lưu ý khi sử dụng các định luật bàn tay
Một số điều cần lưu ý để tránh nhầm lẫn khi sử dụng hai định luật này
Thứ nhất, cần đảm bảo các ngón tay đặt vuông góc với nhau. Nếu lệch, kết quả có thể sai.
Thứ hai, luôn tuân thủ đúng thứ tự của ba yếu tố: từ trường, dòng điện, lực hay chuyển động.
Thứ ba, chú ý xác định đúng chiều của các đại lượng từ trước để áp dụng quy tắc chính xác.
Định luật bàn tay trái với định luật bàn tay phải là hai quy tắc quan trọng trong phân tích dự đoán các hiện tượng điện từ. Tuy có vẻ đơn giản nhưng chúng lại là nền tảng để xây dựng nhiều thiết bị hiện đại như động cơ điện, máy phát điện, loa, cảm biến cùng hàng loạt hệ thống điện tử khác.