Mở đầu: Các nghiên cứu cho thấy, chim manh manh (Hình 9.1) có khả năng cảm nhận được từ trường dựa vào một số loại protein có trong mắt chim (Nguồn: Science News). Đặc điểm này giúp chim dựa vào từ trường của Trái Đất để xác định được phương hướng trong quá trình di cư. Vậy từ trường là gì và làm thế nào để mô tả từ trường?
Lời giải:
- Từ trường là môi trường không gian xung quanh nam châm (mà Trái Đất của chúng ta là một nam châm khổng lồ), xung quanh dòng điện. Để mô tả từ trường người ta sử dụng các đường sức từ.
1. Từ trường
Thảo luận 1: Dựa vào kiến thức đã học ở môn Khoa học tự nhiên lớp 7, từ các dụng cụ như thanh nam châm, dây dẫn có dòng điện, kim nam châm có thể quay quanh trục hoặc la bàn, hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để nhận biết vùng không gian tồn tại từ trường. Ngoài các dụng cụ trên, ta có thể nhận biết từ trường bằng dụng cụ nào khác?
Lời giải:
* Thí nghiệm:
Dụng cụ: Kim nam châm có thể quay tự do quanh trục thẳng đứng, thanh nam châm đặt trên giá đỡ
Tiến hành thí nghiệm:
+ Lúc đầu, để kim nam châm ở xa thanh nam châm
+ Sau đó, từ từ dịch chuyển kim nam châm lại gần thanh nam châm
Kết quả: Hướng của kim nam châm bị lệch so với hướng ban đầu
* Ngoài kim nam châm, ta có thể dùng dây dẫn mang dòng điện để phát hiện từ trường.
Thảo luận 2: Từ các dụng cụ đơn giản như nam châm thẳng, nam châm chữ U, mạt sắt, hộp nhựa trong chứa dầu và mạt sắt, giấy A4, ... Hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để quan sát hình ảnh từ phổ của các nam châm này.
Lời giải:
- Quan sát từ phổ của nam châm thẳng:
+ Bước 1: Đặt nam châm thẳng lên mặt bàn.
+ Bước 2: Rắc đều mạt sắt lên mặt bàn xung quanh nam châm.
+ Bước 3: Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. Mạt sắt sẽ tập trung ở hai đầu của nam châm, tạo thành đường sức từ
- Quan sát từ phổ của nam châm chữ U:
+ Bước 1: Đặt nam châm chữ U lên mặt bàn.
+ Bước 2: Rắc đều mạt sắt lên mặt bàn xung quanh nam châm.
+ Bước 3: Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. Mạt sắt sẽ tập trung ở hai cực của nam châm chữ U, tạo thành đường sức từ
- Quan sát từ phổ của nam châm trong hộp nhựa chứa dầu:
+ Bước 1: Đặt nam châm vào hộp nhựa chứa dầu.
+ Bước 2: Rắc đều mạt sắt lên mặt dầu.
+ Bước 3: Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. Mạt sắt sẽ tập trung ở hai cực của nam châm, tạo thành đường sức từ (tùy thuộc vào vị trí đặt nam châm).
2. Cảm ứng từ
Thảo luận 3: Khi nào thì ta có thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn?
Lời giải:
- Khi tại mọi điểm xung quanh dây dẫn đều sinh ra cảm ứng từ bằng nhau
Luyện tập: Ta đã biết, điện trường là dạng vật chất bao quanh điện tích. Vậy, theo em xung quanh điện tích có thể tồn tại từ trường hay không? Nếu có thì khi nào từ trường xuất hiện xung quanh điện tích?
Lời giải:
- Xung quanh điện tích có tồn tại từ trường. Từ trường xuất hiện khi điện tích chuyển động.
Thảo luận 4: Hãy mô tả hình ảnh đường sức từ (hướng và độ mau (dày)/thưa) trong các trường hợp ở Hình 9.5
Lời giải:
a) Nam châm thẳng:
- Hướng: Đường sức từ xuất phát từ cực Bắc và hướng về cực Nam của nam châm.
- Độ mau (dày)/ thưa: Đường sức từ mau (dày) hơn ở hai cực của nam châm và thưa hơn ở phần giữa.
b) Nam châm chữ U:
- Hướng: Đường sức từ xuất phát từ hai cực của nam châm chữ U và hướng về phần giữa của nó.
- Độ mau (dày)/ thưa: Đường sức từ mau (dày) hơn ở hai cực của nam châm chữ U và thưa hơn ở phần giữa.
c) Ống dây có dòng điện chạy qua:
- Hướng: Đường sức từ bao quanh ống dây theo các vòng tròn đồng tâm.
- Độ mau (dày)/ thưa: Đường sức từ mau (dày) hơn ở bên trong ống dây và thưa hơn ở bên ngoài.
Luyện tập: Dùng kim nam châm và các hình ảnh từ phổ thu được từ câu Thảo luận 2, hãy thiết kế phương án thí nghiệm để nhận biết được chiều của đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của kim nam châm.
Lời giải:
- Dùng kim nam châm xác định chiều của đường sức từ.
Thảo luận 5: Đề xuất cách xác định chiều đường sức từ trong Hình 9.6.
Lời giải:
- Cách xác định: Dựa vào đặc điểm của đường sức từ (ra bắc - vào nam), ta đặt kim nam châm ở vị trí xung quanh dòng điện, hướng của kim nam châm là chiều của đường sức từ.
Luyện tập: Vẽ phác đường sức từ của các dòng điện thẳng vuông góc với mặt phẳng giấy đặt trên bàn và có chiều từ trên xuống dưới.
Lời giải:
Thảo luận 6: Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ của dòng điện tròn trong Hình 9.8.
Lời giải:
Thảo luận 7: Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ trong vùng không gian xung quanh ống dây khi có dòng điện chạy qua.
Lời giải:
- Hình dạng đường sức của ống dây khi có dòng điện chạy qua.
Thảo luận 8: Ống dây được tạo thành từ việc quấn nhiều vòng dây giống nhau. Dựa vào quy tắc nắm tay phải để xác định chiều đường sức từ của dòng điện tròn, hãy đề xuất cách xác định chiều đường sức từ của dòng điện bên trong ống dây.
Lời giải:
- Khum bàn tay phải sao cho các ngón tay theo chiều dòng điện qua ống dây, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ bên trong ống dây.
Vận dụng: Xét một ống dây có dòng điện chạy qua và một nam châm thử định hướng như Hình 9.12. Biết A, B là các cực của nguồn điện không đổi. Hãy xác định chiều đường sức từ của từ trường trong ống dây. Từ đó xác định tên các cực của nguồn điện.
Lời giải:
- Dựa vào hướng của nam châm thử và vận dụng quy tắc nắm bàn tay: Cực bắc của kim nam châm bị cực nam của nam châm điện hút, cực nam của kim nam châm bị cực bắc của nam châm điện hút nên:
Bài tập
Bài tập 1: Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm nào sau đây?
A. Là đường thẳng song song với trục nam châm, hướng từ cực Bắc đến cực Nam.
B. Là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.
C. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục của thanh nam châm.
D. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng chứa trục của thanh nam châm.
Đáp án: B
Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.
Bài tập 2: Xét một ống dây được nối với hai cực A, B của một nguồn điện. Khi đó, đường sức từ qua ống dây có dạng như Hình 9P.1. Hãy xác định tên các cực của nguồn điện.
Lời giải:
Bài tập 3: Xung quanh Trái Đất có tồn tại từ trường, do đó Trái Đất được coi như một nam châm khổng lồ. Dựa vào điều này, hãy giải thích tại sao kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc - Nam địa lí.
Lời giải:
- Do kim nam châm luôn hướng theo từ trường Trái Đất, mà từ trường Trái Đất gần trùng với cực địa lí nên ta thấy kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc – Nam địa lí.
Bài tập 4: Dựa vào hình ảnh các đường sức từ của nam châm chữ U như Hình 9P.2, em hãy xác định các cực của nam châm này.
Lời giải:
Dựa vào chiều đường sức từ, xác định được cực bên phải là cực bắc (N), cực bên trái là cực nam (S).
