Vật lý 11. Chương IV. Bài 19: Từ trường

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. Nam châm

- Loại vật liệu có thể hút được sắt vụn gọi là nam châm.

- Trên một nam châm, có những miền hút sắt vụn mạnh nhất, đó là các cực của nam châm. Mỗi nam châm có hai cực: Cực Bắc (kí hiệu là N) và cực Nam (kí hiệu là S).

- Một kim nam châm nhỏ được đặt tự do và có thể quay xung quanh một trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của kim nam châm luôn nằm định hướng theo hướng Nam - Bắc.

- Thực nghiệm chứng tỏ rằng, giữa các nam châm có tương tác với nhau thông qua các lực đặt vào các cực: Hai cực của hai nam châm đặt gần nhau sẽ đẩy nhau khi chúng cùng tên và hút nhau khi chúng khác tên.

⇒ Lực tương tác đó được gọi là lực từ và các nam châm được gọi là có từ tính.

- Các loại nam châm:

• Nam châm chữ U
• Nam châm thẳng
• Nam châm tròn
• Nam châm điện

B. Từ tính của dây dẫn có dòng điện

1. Thực nghiệm

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, dây dẫn có dòng điện (gọi tắt là dòng điện) cũng có từ tính như nam châm. Cụ thể là:

1. Dòng điện có thể tác dụng lên nam châm.
2. Nam châm có thể tác dụng lực lên dòng điện.
3. Hai dòng điện có thể tương tác với nhau.

2. Kết luận

- Giữa nam châm với nam châm, giữa nam châm với dòng điện, giữa dòng điện với dòng điện có sự tương tác từ.

- Dòng điện và nam châm có từ tính.

C. Từ trường

1. Từ trường của nam châm

Xung quanh một dòng điện hay một nam châm tồn tại một từ trường. Chính từ trường này đã gây ra lực tác dụng lên một dòng điện khác hay một nam châm khác đặt trong đó.

2. Định nghĩa

Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.

3. Hướng của từ trường

- Để phát hiện sự tồn tại của từ trường trong một khoảng không gian nào đó, người ta sử dụng kim nam châm nhỏ, đặt tại những vị trí bất kỳ trong khoảng không gian ấy. Kim nam châm nhỏ, dùng để phát hiện từ trường, gọi là nam châm thử.

- Quy ước: Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.

D. Đường sức từ

Để biểu diễn về mặt hình học sự tồn tại của từ trường trong không gian, người ta đưa ra khái niệm đường sức từ.

1. Định nghĩa

- Đường sức từ là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường, sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

- Quy ước chiều của đường sức từ tại mỗi điểm là chiều của từ trường tại điểm đó.

- Có thể quan sát hình dạng của những đường sức từ bằng thí nghiệm từ phổ.

2. Các ví dụ về đường sức từ

2.1. Đặc điểm đường sức từ của nam châm thẳng:

- Bên ngoài nam châm, đường sức từ là những đường cong, hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm, có chiều đi ra từ cực bắc và đi vào cực Nam.

- Càng gần đầu thanh nam châm, đường sức càng mau hơn (từ trường càng mạnh hơn).

2.2. Đặc điểm đường sức từ của nam châm chữ U:

- Bên ngoài nam châm, đường sức từ là những đường cong có hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm chữ U, có chiều đi ra từ cực Bắc và đi vao cực Nam.

- Càng gần đầu thanh nam châm, đường sức càng mau hơn (từ trường càng mạnh hơn).

- Đường sức từ của từ trường trong khoảng thời gian giữa hai cực của nam châm hình chữ U là những đường thẳng song song cách đều nhau. Từ trường trong khu vực đó là từ trường đều.

2.3. Từ trường của dòng điện thẳng rất dài

a) Các đường sức từ của dòng điện thẳng là những đường tròn nằm trong những mặt phẳng vuông góc với dòng điện và có tâm nằm trên dòng điện.

b) Có chiều được xác định bởi quy tắc nắm tay phải sau đây:

Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón kia khum lại cho ta chiều các đường sức từ.

2.4. Từ trường của dòng điện tròn

- Các đường sức từ của dòng điện tròn đều có chiều đi vào một mặt và đi ra mặt kia của dòng điện tròn ấy.

+ Đường sức từ ở tâm dòng điện là một đường thẳng vuông góc với mặt dòng điện tròn.

+ Quy ước: mặt Nam của dòng điện tròn là mặt khi nhìn vào ta thấy dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, còn mặt Bắc thì ngược lại.

- Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào mặt Nam và đi ra từ mặt Bắc của dòng điện tròn ấy.

+ Ta có thể dùng quy tắc nắm tay phải để xác định chiều của đường sức từ tại tâm của dòng điện tròn: Khum bàn tay phải sao cho chiều cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện tròn, thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ đi qua tâm của dòng điện tròn.

+ Người ta có thể dùng quy tắc cái đinh ốc hoặc quy tắc vặn nút chai phải để xác định chiều đường sức từ của từ trường của một số sòng điện dạng đơn giản.

3. Các tính chất của đường sức từ

Các đường sức từ có những tính chất sau:

1. Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức từ.
2. Các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu.
3. Chiều của các đường sức từ tuân theo những quy tắc xác định (quy tắc nắm tay phải, quy tắc vào Nam ra Bắc)
4. Người ta quy ước vẽ các đường sức từ sao cho chỗ nào từ trường mạnh thì các đường sức từ mau và chỗ nào yếu thì các đường sức từ thưa.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Trên hình hộp chữ nhật ABCD, MNPQ (hình vẽ), một dòng điện không đổi dài vô hạn nằm trên đường thẳng đi qua A, M và có chiều từ M đến A. Từ trường do dòng điện gây ra tại điểm O (là giao điểm của AC và BD) có hướng trùng với hướng của véctơ gì?

Giải

Áp dụng quy tắc bàn tay phải, ta xác định được chiều từ trường do dòng điện gây ra tại điểm O có hướng trùng với hướng của véctơ \[\overrightarrow {OB} \].

Bài 2: Trên hình hộp chữ nhật ABCD, MNPQ (hình vẽ), một dòng điện không đổi dài vô hạn nằm trên đường thẳng đi qua A, M và có chiều từ A đến M. Từ trường do dòng điện gây ra tại điểm N có hướng trùng với hướng của véctơ gì?

Bài 3: Trong các hình vẽ ở hình vẽ, đường tròn biểu diễn dòng điện không đổi I. Đường thẳng đi qua tâm đường tròn và vuông góc với mặt phẳng chứa đường tròn biểu diễn đường sức của từ trường do dòng điện trong dây dẫn gây ra. Hình vẽ nào mô tả đúng quan hệ giữa chiều dòng điện và chiều của đường sức từ?

Bài 4: Trong các hình vẽ ở hình vẽ, đường thẳng biểu diễn dòng điện không đổi I. Đường tròn trong mặt phẳng vuông góc với đường thẳng biểu diễn một đường sức của từ trường do dòng điện trong dây dẫn gây ra. Hình vẽ nào mô tả không đúng quan hệ giữa chiều dòng điện và chiều của đường sức từ?

Bài 5: Người ta chế tạo một số tay nắm cửa hình thức giống hệt nhau. Trong đó một số tay nắm làm bằng đồng, một số làm bằng sắt và một số làm bằng gỗ rồi mạ đồng. Để phân biệt chúng ta làm như thế nào, nếu chỉ sài nam châm vĩnh cửu?