Mục tiêu
Khởi động
Kim la bàn luôn quay về một hướng, nam châm hút được chiếc đinh sắt dù không chạm vào đinh, và cần cẩu ở bãi phế liệu nhấc cả chiếc ô tô cũ lên rồi thả xuống chỉ bằng cách bật tắt dòng điện. Những hiện tượng đó đều do từ trường gây ra. Trong bài này ta tìm hiểu từ trường là gì, cách vẽ nó bằng các đường sức và cách xác định chiều của nó.
Kiến thức
1. Nam châm và từ trường
Mỗi thanh nam châm có hai cực: cực Bắc (N) và cực Nam (S). Hai cực cùng tên đẩy nhau, hai cực khác tên hút nhau. Nếu cắt đôi một thanh nam châm thì ta không được một cực Bắc và một cực Nam riêng lẻ, mà được hai thanh nam châm nhỏ, mỗi thanh vẫn có đủ hai cực.
Lực giữa hai nam châm không cần chúng chạm vào nhau. Ta nói xung quanh nam châm có từ trường, và từ trường tác dụng lực từ lên nam châm khác đặt trong nó. Ngoài nam châm, từ trường còn tồn tại xung quanh dòng điện (thí nghiệm của Oersted: kim nam châm đặt gần dây dẫn có dòng điện bị lệch khỏi hướng ban đầu).
Để phát hiện từ trường và xác định hướng của nó, ta dùng kim nam châm nhỏ (nam châm thử). Hướng của từ trường tại một điểm được quy ước là hướng chỉ của cực Bắc kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó, tức là hướng đi từ cực Nam sang cực Bắc của kim.
2. Đường sức từ
Để hình dung từ trường, người ta vẽ các đường sức từ: tiếp tuyến với đường sức tại mỗi điểm cho biết phương của từ trường ở điểm đó, chiều của đường sức là chiều của từ trường. Ta có thể quan sát hình ảnh các đường sức (từ phổ) bằng cách rắc mạt sắt lên tấm nhựa đặt trên nam châm rồi gõ nhẹ: mạt sắt bị từ hóa và xếp thành các đường cong.
Các đường sức từ có những tính chất sau:
- Đường sức từ là những đường cong khép kín. Bên ngoài nam châm chúng đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam; bên trong nam châm chúng đi từ cực Nam sang cực Bắc.
- Hai đường sức từ không bao giờ cắt nhau, vì tại mỗi điểm từ trường chỉ có một hướng xác định.
- Nơi đường sức vẽ dày thì từ trường mạnh; nơi đường sức thưa thì từ trường yếu.
Từ trường đều là từ trường có các đường sức từ song song, cùng chiều và cách đều nhau. Từ trường trong khe hẹp giữa hai cực của nam châm chữ U, hoặc trong lòng một ống dây dài (ở phần giữa), gần đúng là từ trường đều. Ngược lại, từ trường gần một cực của nam châm thẳng là từ trường không đều.
3. Từ trường của dòng điện
Dòng điện thẳng dài. Đường sức từ là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây, tâm nằm trên dây. Chiều đường sức xác định bằng quy tắc nắm tay phải: nắm bàn tay phải sao cho ngón cái choãi ra chỉ chiều dòng điện thì các ngón còn lại khum lại chỉ chiều đường sức. Đảo chiều dòng điện thì chiều đường sức đảo ngược; tăng cường độ dòng điện thì từ trường mạnh lên.
Ống dây có dòng điện. Trong lòng ống dây dài, từ trường gần như đều và các đường sức song song với trục ống. Quy tắc nắm tay phải cho ống dây: khum bàn tay phải sao cho các ngón tay chỉ chiều dòng điện chạy qua các vòng dây thì ngón cái choãi ra chỉ chiều đường sức trong lòng ống dây, tức là chỉ về cực Bắc của ống dây. Từ trường ngoài ống dây giống từ trường của một nam châm thẳng.
4. Nam châm điện
Cho dòng điện chạy qua một ống dây có lõi bằng sắt non ta được một nam châm điện. Lõi sắt non bị từ hóa mạnh khi có dòng điện nên từ trường tăng lên nhiều lần, và mất từ tính gần như ngay khi ngắt dòng điện. Nhờ vậy nam châm điện có thể bật tắt và điều chỉnh độ mạnh bằng cường độ dòng điện. Nam châm điện được dùng trong cần cẩu nhấc phế liệu sắt thép, chuông điện, rơ-le điện từ và nhiều thiết bị khác.
5. Từ trường Trái Đất và vật liệu từ
Trái Đất có từ trường giống từ trường của một thanh nam châm khổng lồ. Kim la bàn đặt tự do nằm theo hướng từ trường này nên cực Bắc của kim chỉ gần về hướng Bắc địa lí. Trục của "nam châm Trái Đất" không trùng hẳn với trục quay: góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lí tại một nơi gọi là độ từ thiên, còn góc giữa đường sức từ của Trái Đất và mặt phẳng nằm ngang gọi là độ từ khuynh.
Những vật liệu bị nam châm hút mạnh như sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng gọi là vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ mềm (như sắt non) dễ bị từ hóa và dễ mất từ tính, dùng làm lõi nam châm điện; vật liệu sắt từ cứng giữ được từ tính lâu dài, dùng làm nam châm vĩnh cửu.
6. Tóm tắt hai quy tắc về chiều
| Trường hợp | Quy tắc | Ngón cái chỉ | Các ngón khum chỉ |
|---|---|---|---|
| Dây thẳng dài | Nắm tay phải | chiều dòng điện | chiều đường sức từ |
| Ống dây | Nắm tay phải | chiều đường sức trong lòng ống (cực Bắc) | chiều dòng điện trong các vòng dây |
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1: Chiều từ trường của dòng điện thẳng
Một dây dẫn thẳng đứng, dài, có dòng điện chạy từ dưới lên trên. Điểm M nằm cách dây một đoạn nhỏ về phía Đông. Từ trường do dòng điện gây ra tại M có hướng nào?
Ngón cái của bàn tay phải chỉ thẳng đứng lên trên theo dòng điện. Các ngón khum lại chỉ chiều đường sức: nhìn từ trên xuống, đường sức quanh dây quay ngược chiều kim đồng hồ. Tại điểm ở phía Đông của dây, chiều quay này đi về phía Bắc. Vậy từ trường tại M hướng Bắc.
Ví dụ 2: Cực từ của ống dây
Một ống dây đặt nằm ngang có dòng điện chạy qua. Nhìn từ đầu A, ta thấy dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ. Đầu A là cực nào? Nếu đặt một kim nam châm nhỏ trong lòng ống dây thì cực Bắc của kim chỉ về đầu nào?
Nhìn vào đầu A thấy dòng điện cùng chiều kim đồng hồ nên đầu A là cực Nam, đầu còn lại (B) là cực Bắc. Trong lòng ống dây đường sức đi từ cực Nam sang cực Bắc, tức từ A sang B, nên cực Bắc của kim nam châm nhỏ chỉ về đầu B.
Ví dụ 3: Kim nam châm cạnh dây dẫn có dòng điện
Một kim nam châm nhỏ đặt ngay phía trên một dây dẫn thẳng nằm ngang có dòng điện chạy theo hướng Bắc (bỏ qua từ trường Trái Đất). Cực Bắc của kim chỉ hướng nào? Nếu đổi chiều dòng điện thì kim quay thế nào?
Dòng điện hướng Bắc, ngón cái chỉ Bắc. Tại điểm nằm ngay phía trên dây, chiều đường sức là hướng Đông (dây hướng Bắc, nhìn theo chiều dòng điện đường sức quay theo chiều kim đồng hồ: bên trên đi sang phải tức là sang Đông). Vậy cực Bắc của kim chỉ hướng Đông. Đổi chiều dòng điện thì đường sức đổi chiều nên kim quay ngược lại, cực Bắc chỉ hướng Tây.
Kiểm tra nhanh
Kiểm tra nhanh: Đường sức từ bên ngoài nam châm thẳng có chiều thế nào?
Đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam; bên trong nam châm đi từ cực Nam sang cực Bắc.
Kiểm tra nhanh: Dòng điện trong ống dây, nhìn từ một đầu thấy ngược chiều kim đồng hồ. Đầu đó là cực nào?
Cực Bắc (quy tắc nắm tay phải cho ống dây).
Kiểm tra nhanh: Vì sao nam châm điện dùng lõi sắt non mà không dùng lõi thép cứng?
Sắt non bị từ hóa mạnh khi có dòng điện và mất từ tính ngay khi ngắt dòng, nên nam châm điện bật tắt được. Thép cứng giữ từ tính sau khi ngắt dòng.
Tóm tắt
- Từ trường tồn tại xung quanh nam châm và dòng điện; hướng từ trường là hướng cực Bắc kim nam châm thử khi cân bằng.
- Đường sức từ khép kín, không cắt nhau; dày thì từ trường mạnh. Từ trường đều có đường sức song song, cùng chiều, cách đều.
- Quy tắc nắm tay phải cho dây thẳng và ống dây; ống dây có dòng điện như nam châm thẳng.
- Nam châm điện: ống dây có lõi sắt non, bật tắt được từ tính.
- Trái Đất là một nam châm lớn; sắt, niken, coban là vật liệu sắt từ.
Khi đã đọc xong, hãy bấm nút Luyện tập chủ đề này ở cuối bài để làm các câu trắc nghiệm, đúng/sai và trả lời ngắn về nội dung vừa học.