Khởi động: Ta đã biết nam châm và dòng điện đều tác dụng lực lên kim nam châm. Vậy xung quanh dòng điện có tồn tại từ trường không? Tính chất cơ bản của từ trường là gì? Từ trường được biểu diễn như thế nào?
Lời giải:
Xung quanh dòng điện có tồn tại từ trường.
Tính chất cơ bản của từ trường: gây ra lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong nó.
- Lực từ: từ trường tác dụng lực từ lên các vật liệu có tính từ như nam châm, sắt, thép,… và lên các dòng điện khác
- Chiều của từ trường do dòng điện sinh ra được xác định bằng quy tắc nắm bàn tay phải.
Từ trường được biểu diễn bằng đường sức từ và mật độ đường sức từ.
I. Tương tác từ
Hoạt động 1: Khi đưa hai cực cùng tên hay khác tên của một nam châm thẳng và kim nam châm lại gần nhau (Hình 14.1) thì chúng đẩy nhau hay hút nhau?
Lời giải:
Khi đưa hai cực cùng tên hay khác tên của một nam châm thẳng và kim nam châm lại gần nhau, chúng sẽ đẩy nhau nếu là hai cực cùng tên và hút nhau nếu là hai cực khác tên.
Hình 14.1 b, hai cực cùng tên nên nó sẽ đẩy nhau
Hình 14.1 c, hai cực khác tên nên chúng sẽ hút nhau
Hoạt động 2: Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn ta thấy kim nam châm lệch một góc so với phương ban đầu (Hình 14.2). Dự đoán điều gì xảy ra nếu ta đổi chiều dòng điện chạy qua dây dẫn. Trong thí nghiệm này, kim nam châm có tác dụng lực lên dòng điện không?
Lời giải:
Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn ta thấy kim nam châm lệch một góc so với phương ban đầu:
- Nếu đổi chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, kim nam châm sẽ lệch về phía ngược lại.
- Kim nam châm không tác dụng lực lên dòng điện.
Hoạt động 3: Khi cho dòng điện chạy qua hai tấm kim loại mỏng, nhẹ như ở Hình 14.3, ta thấy hai tấm kim loại đẩy nhau. Hãy dự đoán hiện tượng xảy ra nếu dòng điện qua hai tấm kim loại cùng chiều.
Lời giải:
Khi cho hai dòng điện cùng chiều chạy qua hai tấm kim loại mỏng thì thấy hai tấm kim loại hút nhau.
II. Từ trường
Hoạt động: Hãy mô tả một thí nghiệm khảo sát lực từ do nam châm tác dụng lên dòng điện.
Lời giải:
Chuẩn bị:
- 1 nguồn điện
- 1 ampe kế
- Dây dẫn điện
- Giá đỡ
- Thước kẻ
- 1 nam châm
- 1 khoá K
Tiến hành:
- Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ:
- Đóng khoá K để cho dòng diện chạy qua dây dẫn.
- Đưa nam châm lại gần dây dẫn. Quan sát hiện tượng.
- Thay đổi chiều của dòng điện bằng cách đổi cực của nguồn điện. Quan sát hiện tượng xảy ra.
- Thay đổi vị trí của nam châm ( cực bắc, cực nam) so với dây dẫn. Quan sát hiện tượng.
- Ghi lại số liệu đo được
- Xử lí số liệu và vẽ đồ thị, tính toán kết quả
III. Đường sức từ
Thí nghiệm 1
Chuẩn bị:
- Hộp nhựa có một mặt trong suốt, bên trong chứa dầu và mạt sắt mịn.
- Nam châm thẳng.
- Nam châm hình chữ U.
Tiến hành:
- Lắc nhẹ hộp nhựa sao cho các mạt sắt phân bố đều. Đặt hộp nhựa trên mặt phẳng nằm ngang, mặt trong suốt hướng lên trên.
- Đặt nhẹ nhàng thanh nam châm thẳng lên trên mặt trong suốt của hộp nhựa rồi gõ nhẹ. Quan sát hình ảnh mạt sắt vừa được tạo thành trong hộp nhựa (Hình 14.4a).
- Nhấc thanh nam châm thẳng lên khỏi mặt hộp nhựa. Lắc nhẹ hộp nhựa cho các mạt sắt phân bố đều trở lại. Tiếp tục đặt nhẹ nhàng hai thanh nam châm thẳng lên trên mặt trong suốt của hộp nhựa (sao cho hai cực trái dấu của hai thanh nam châm thẳng gần nhau) rồi gõ nhẹ. Quan sát hình ảnh mạt sắt vừa được tạo thành trong hộp nhựa (Hình 14.4b).
- Thực hiện tương tự như trên nhưng cho hai cực cùng tên của hai thanh nam châm gần nhau. Quan sát hình ảnh mạt sắt vừa được tạo thành trong hộp nhựa (Hình 14.4c).
- Tiến hành thí nghiệm tương tự đối với nam châm hình chữ U (Hình 14.5).
Thực hiện các yêu cầu sau:
1. Nhận xét hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở khoảng giữa của hai nam châm thẳng Hình 14.4b và ở khoảng giữa của hai nam châm thẳng Hình 14.4c.
2. Nhận xét về hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở giữa hai cực của nam châm hình chữ U. Từ đó có thể rút ra kết luận gì về từ trường trong khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U.
Lời giải:
1. Hình 14.4b và 14.4c:
- Hình 14.4b: Mạt sắt tập trung nhiều ở hai đầu nam châm và thưa dần ở khoảng giữa.
- Hình 14.4c: Mạt sắt tập trung nhiều ở phần tiếp xúc giữa hai nam châm và thưa dần ra xa.
2. Hình 14.4d:
- Mạt sắt tập trung nhiều ở phần cong của nam châm hình chữ U và thưa dần ra hai đầu.
Kết luận:
- Từ trường mạnh nhất ở gần các cực của nam châm.
- Từ trường yếu dần khi đi xa các cực của nam châm.
- Từ trường trong khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U có dạng hình cung.
Thí nghiệm 2
Chuẩn bị:
- Hộp nhựa có một mặt trong suốt, bên trong chứa dầu và mạt sắt mịn.
- Ống dây gắn với hộp nhựa.
- Dây dẫn thẳng.
- Nguồn điện một chiều.
Tiến hành:
- Lắc nhẹ hộp nhựa có gắn ống dây sao cho các mạt sắt phân bố đều ở bên ngoài và bên trong lòng ống dây.
- Cho dòng điện chạy qua ống dây.
- Gõ nhẹ vào hộp nhựa để các mạt sắt phân bố ổn định (Hình 14.6).
Tiến hành thí nghiệm tương tự với dây dẫn thẳng ta thu được hình ảnh như Hình 14.7.
Thực hiện các yêu cầu sau:
1. Mô tả hình ảnh sự phân bố mạt sắt phân bố xung quanh dòng điện thẳng.
2. Nhận xét về hình ảnh sự phân bố mạt sắt bên trong ống dây và bên ngoài ống dây.
3. So sánh hình ảnh và sự phân bố mạt sắt ở bên ngoài ống dây với hình ảnh đường sức từ của nam châm thẳng.
Lời giải:
1. Hình ảnh sự phân bố mạt sắt phân bố xung quanh dòng điện thẳng là những vòng tròn đồng tâm.
2. Hình ảnh sự phân bố mạt sắt bên trong ống dây là những đường song song nhau và bên ngoài ống dây là những đường cong.
3. Hình ảnh và sự phân bố mạt sắt ở bên ngoài ống dây với hình ảnh đường sức từ của nam châm thẳng gần giống nhau.
Câu hỏi: Đặt một kim nam châm nhỏ trên mặt phẳng vuông góc với dòng điện thẳng. Khi cân bằng, kim nam châm nằm ở vị trí như Hình 14.11. Hãy xác định chiều của dòng điện chạy qua dây dẫn.
Lời giải:
- Ta áp dụng quy tắc bàn tay phải sao cho: ngón cái choãi ra vuông góc với lòng bàn tay biểu diễn chiều của lực từ, các đường sức từ đi vào lòng bàn tay, chiều của dòng điện song song với ngón trò. Áp dụng quy tắc ta xác định được chiều của dòng điện đi từ trên xuống dưới.
Em có thể:
• Giải thích được nguyên tắc hoạt động của la bàn.
• Nêu được ứng dụng của nam châm trong cuộc sống như tàu đệm từ, nam châm điện.
Lời giải:
Nguyên tắc hoạt động của La bàn
Trái Đất của chúng ta có bản chất là một nam châm khổng lồ, giống như các nam châm thẳng khác có cực Bắc và cực Nam. Bao quanh Trái Đất là các đường sức từ trường định hướng theo quy tắc có chiều đi ra từ cực Bắc và đi vào từ cực Nam.
Hình ảnh Địa cực từ, các các cực địa lý của Trái Đất
Khi ta sử dụng la bàn, kim nam châm của la bàn sẽ nằm dọc theo đường sức từ trường của Trái Đất và luôn định hướng theo một hướng cố định. Người ta quy ước hướng chỉ kim nam châm của la bàn hướng về cực Bắc của Trái Đất là hướng Bắc ngược lại là hướng Nam.
• Ứng dụng của nam châm trong cuộc sống như tàu đệm từ
Tàu đệm từ là một phương tiện giao thông chạy trên đệm từ trường, tàu vận hành rất êm, không rung lắc và không gây ra nhiều tiếng ồn như tàu truyền thống. Tàu sử dụng cơ chế nâng, đẩy và dẫn lái để khi di chuyển với tốc độ cao mà tàu không bị bay ra khỏi bề mặt đường ray. Cơ chế đẩy: Khi từ trường của các nam châm điện đặt ở hai bên thành đường ray tương tác với từ trường của nam châm siêu dẫn đặt trên thành tàu sẽ sinh ra lực đẩy tàu hướng về phía trước (Hình 15.7).
Cơ chế nâng: Cơ chế này tương tự như cơ chế đấy nhưng với mục đích nâng tàu lên. Bánh xe sẽ được nâng lên khi tàu đạt tới tốc độ tới hạn. Ở tốc độ tới hạn, lực từ lúc này đủ lớn để nâng tàu lướt trên đường ray (Hình 15.8). Hệ thống dẫn lái: Bằng cách sử dụng tính chất của nam châm, cùng cực thì đẩy nhau, khác cực thì hút nhau, hệ thống lái có nhiệm vụ giúp tàu cân bằng, ổn định tàu với đường ray khi di chuyển.
