Giải SGK Vật Lí 12 Cánh Diều 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?

Lời giải:

Để hình dung ra từ trường, bạn có thể sử dụng các phương tiện hình ảnh trực quan hoặc các phương pháp khác để giải thích hiện tượng từ trường. Dưới đây là một số cách bạn có thể sử dụng:

+ Sử dụng dây dẫn mang dòng điện: Bạn có thể thấy từ trường bằng cách 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, cho bạn biết rằng có một từ trường được tạo ra xung quanh dây dẫn đó.

+ Sử dụng nam châm: Bạn có thể sử dụng nam châm để hình dung từ trường. Đặt một tảng 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: Bạn cũng có thể sử dụng lưới từ, một thiết bị mà khi đưa vào trong một từ trường sẽ hiển thị các đường của từ trường. Bằng cách này, bạn có thể quan sát mẫu từ trường và hình dung được cấu trúc của nó.

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

+ Những cách trên có thể giúp bạn hình dung và hiểu sâu hơn về các tính chất của từ trường và ứng dụng của nó trong các hệ thống và thiết bị khác nhau.

I. Khái niệm từ trường

Câu hỏi 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.

Lời giải:

- Ở hình dưới, nam châm cố định tác dụng lực từ $\overrightarrow{F}$ lên đoạn dây dẫn có dòng điện I. Ở đây, đoạn dây dẫn có một đầu nhúng vào một dung dịch dẫn điện để khép kín dòng điện, đồng thời đoạn dây dẫn ấy cũng có thể xê dịch tuỳ theo tác dụng của lực từ do nam châm gây ra.

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?

Lời giải:

- Ta có thể đưa thanh nam châm khác lại gần thanh nam châm được treo, sao cho hai cực cùng dấu ở gần nhau, để tạo ra lực đẩy từ đó thanh nam châm ở dây treo có thể quay xung quanh trục trùng với dây treo.

II. Đường sức từ

Câu hỏi 2: Vì sao mạt sắt trong thí nghiệm Hình 1.5 lại được sắp xếp thành hình dạng nhất định?

Lời giải:

Khi mạt sắt được 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, mạt sắt sẽ được căn chỉnh để đáp ứng với hình dạng của từ trường này. Kết quả là, 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.

Quá trình này là một ví dụ về hiện tượng "tương tác từ trường", trong đó các vật liệu có từ trường sẽ tương tác với nhau để điều chỉnh hình dạng hoặc vị trí của chúng dựa trên từ trường môi trường.

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.

Lời giải:

- Cực từ bắc của nam châm ở dưới, cực từ nam ở trên.

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

Lời giải: