BÀI 1. TỪ TRƯỜNG

Mở đầu: Ta đã biết vùng không gian xung quanh nam châm (hoặc dây dẫn mang dòng điện) có từ trường. Từ trường do nam châm điện tạo ra có nhiều ứng dụng. Ở tàu đệm từ (Hình 1.1), từ trường do các nam châm điện ở đường ray và thân tàu làm cho tàu chuyển động với tốc độ cao mà không tiếp xúc với đường ray như tàu hoả hoặc tàu điện thông thường.

Bằng các giác quan, ta không thể nhận biết được từ trường. Làm thế nào để hình dung ra từ trường? 

Giải rút gọn:

Dưới đây là một số cách bạn có thể sử dụng:

+ Sử dụng dây dẫn mang dòng điện: sử dụng một dây dẫn mang dòng điện và đặt các cảm biến từ (ví dụ như la bàn) xung quanh dây dẫn đó. Khi dòng điện chạy qua dây, bạn sẽ thấy kim la bàn chuyển động thì sẽ có một từ trường được tạo ra xung quanh dây dẫn đó.

+ Sử dụng nam châm: Đặt nam châm dưới một tấm giấy và rải bột sắt lên trên tấm giấy. Khi bạn đưa một nam châm khác gần tấm giấy, bạn sẽ thấy bột sắt sắp xếp lại thành các đường cong, cho bạn thấy cấu trúc và hình dạng của từ trường.

+ Sử dụng lưới từ: Lưới từ mà khi đưa vào trong một từ trường sẽ hiển thị các đường của từ trường. 

+ Sử dụng phương trình và biểu đồ: Các biểu đồ vector có thể minh họa hướng và độ mạnh của từ trường tại các điểm khác nhau trong không gian.

I. KHÁI NIỆM TỪ TRƯỜNG

Câu 1: Đề xuất và thực hiện phương án thí nghiệm để chứng tỏ: Khi ở gần nhau, một đoạn dây dẫn có dòng điện và một nam châm tác dụng lực lên nhau.

Giải rút gọn:

Chuẩn bị:

+ Một đoạn dây dẫn (khoảng vài mét).

+ Một nam châm: Sử dụng một nam châm có cường độ từ trường đủ lớn để tạo ra hiệu ứng đủ mạnh.

+ Nguồn điện

+ Dụng cụ kẹp hoặc treo

Thực hiện thí nghiệm:

+ Bước 1: Kết nối một đầu của đoạn dây dẫn với nguồn điện, đảm bảo rằng dòng điện có thể chảy qua dây dẫn.

+ Bước 2: Treo dây dẫn lên sao cho nó không chạm đất và có thể tự do di chuyển. Đặt nam châm gần đoạn dây dẫn nhưng không để chúng tiếp xúc trực tiếp.

+ Bước 3: Bật nguồn điện để tạo ra dòng điện trong dây dẫn.

+ Bước 4: Quan sát xem nam châm có bắt đầu di chuyển hoặc có biểu hiện của tác động lực không.

Giải thích:

Hiện tượng giải thích bằng luật Ampère và luật Lorentz. Dòng điện trong dây dẫn tạo ra một từ trường quanh nó. Khi nam châm được đặt gần đoạn dây dẫn, từ trường này tác động lên nam châm, gây ra một lực tương tác giữa hai vật. Điều này làm cho nam châm chuyển động hoặc biến dạng trong một hướng nhất định.

Luyện tập 1: Treo một thanh nam châm như Hình 1.2.

Dùng một thanh nam châm khác, không chạm vào thanh nam châm ở dây treo, làm thế nào để thanh nam châm ở dây treo có thể quay xung quanh trục trùng với dây treo?

Giải rút gọn:

Để tạo ra lực từ trường để làm quay thanh nam châm treo xung quanh trục trùng với dây treo mà không chạm vào thanh nam châm phụ ta làm như sau: treo thanh nam châm phụ một cách sao cho nó tạo ra một từ trường có hướng tác động thích hợp lên thanh nam châm treo. 

Một số cách đặt thanh nam châm phụ:

+ Dọc theo trục treo: đặt thanh nam châm phụ sao cho đoạn dài của nó song song với dây treo. Để đảm bảo rằng từ trường tạo ra từ thanh nam châm phụ sẽ có hướng vuông góc với mặt của thanh nam châm treo, tạo ra một lực xoắn lên thanh nam châm treo và khiến nó quay.

+ Nằm ngang: đặt thanh nam châm phụ sao cho đoạn dài của nó nằm vuông góc với dây treo. Trong trường hợp này, bạn cần chắc chắn rằng từ trường tạo ra từ thanh nam châm phụ vẫn có hướng tác động vuông góc với mặt của thanh nam châm treo.

Quan trọng nhất là bạn cần chắc chắn rằng từ trường tạo ra từ thanh nam châm phụ tác động lên thanh nam châm treo theo một hướng thích hợp để tạo ra lực xoắn làm quay thanh nam châm treo. 

II. ĐƯỜNG SỨC TỪ

Câu 2: Vì sao mạt sắt trong Hình 1.5 lại được sắp xếp theo hình dạng nhất định?

Giải rút gọn:

Khi mạt sắt đặt trong một từ trường, các lực từ trường tác động lên các phần tử từ sắt, làm cho chúng xoay để căn chỉnh theo hướng của từ trường. Trong trường hợp của một thanh nam châm dài thẳng, từ trường của nam châm tạo ra hình dạng từ trường như các hình elip và đồng nhất dọc theo trục của nó.

Khi mạt sắt được đặt trong không gian này, từ trường tạo bởi mạt sắt sẽ tương tác với từ trường của nam châm. Do tính định hình của từ trường của nam châm, các mạt sắt sẽ sắp xếp một cách có tổ chức theo hình dạng của từ trường của nam châm, tạo ra một hình dạng cụ thể.

Luyện tập 2: Ở Hình 1.6, mũi tên chỉ hướng bắc của từ trường Trái Đất. Hãy xác định cực từ của kim nam châm. 

Giải rút gọn:

Cực từ của kim nam châm: kim chỉ về hướng Bắc của từ trường Trái Đất sẽ là cực Nam, còn kim chỉ về hướng Nam của từ trường Trái Đất sẽ là cực Bắc.

Luyện tập 3: Cho một thanh nam châm và một kim nam châm nhỏ. Vẽ đường sức từ xung quanh thanh nam châm này.

Giải rút gọn :

Đường sức từ xung quanh thanh nam châm và vị trí của kim nam châm khi đặt trong từ trường của nó là:

Vận dụng: Hãy xác định cực từ của thanh nam châm ở Hình 1.16.

Giải rút gọn:

Cực từ của thanh nam châm được xác định: