Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Từ trường của nam châm và dòng điện thẳng
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được từ trường xung quanh một nam châm thẳng và xung quanh một dòng điện thẳng dài bằng khái niệm đường sức từ, đồng thời xác định đúng chiều đường sức từ của dòng điện thẳng bằng quy tắc nắm tay phải.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở lớp 9, em đã biết nam châm có hai cực (Bắc — N, Nam — S), hai cực cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau, và một dòng điện chạy qua ống dây có lõi sắt tạo ra một nam châm điện — chiều của từ trường trong lòng ống dây đó được xác định bằng quy tắc nắm tay phải. Bài này dùng lại đúng quy tắc đó, nhưng áp dụng cho một dây dẫn thẳng đơn lẻ trước khi mở rộng sang ống dây ở chương sau.
Khởi động
Rắc mạt sắt quanh một thanh nam châm thẳng, mạt sắt tự xếp thành những đường cong nối từ cực này sang cực kia. Nếu thay thanh nam châm bằng một dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua, mạt sắt có xếp thành hình dạng tương tự không, hay hoàn toàn khác?
Kiến thức trọng tâm
Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian xung quanh nam châm và xung quanh dòng điện, biểu hiện qua lực từ mà nó tác dụng lên một nam châm thử hoặc lên một dòng điện khác đặt trong đó. Để hình dung từ trường, người ta dùng **đường sức từ** — một đường cong vẽ trong không gian có từ trường sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó, còn chiều của đường sức là chiều của vectơ ấy (cũng là chiều mà cực Bắc của một kim la bàn đặt tại điểm đó chỉ vào).
Với **nam châm thẳng**, đường sức từ đi ra từ cực Bắc, vòng qua không gian bên ngoài nam châm rồi đi vào cực Nam; bên trong lòng nam châm, đường sức lại đi tiếp từ cực Nam về cực Bắc để khép kín thành một đường cong liên tục — đường sức từ luôn là đường cong khép kín, không có điểm đầu điểm cuối như đường sức điện (đường sức điện xuất phát từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm).
Với **dòng điện thẳng dài**, đường sức từ là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn, tâm của các đường tròn nằm trên chính dây dẫn đó. Chiều của các đường tròn này được xác định bằng **quy tắc nắm tay phải**: nắm bàn tay phải sao cho ngón cái duỗi thẳng chỉ theo chiều dòng điện, khi đó chiều khum của bốn ngón tay còn lại chính là chiều của đường sức từ bao quanh dây.
Ba quy tắc chung cho mọi đường sức từ, dù nguồn tạo ra chúng là gì: tại mỗi điểm chỉ có một đường sức đi qua (các đường sức không bao giờ cắt nhau, vì tại một điểm từ trường chỉ có một phương và một chiều xác định); nơi đường sức dày đặc là nơi từ trường mạnh, nơi đường sức thưa là nơi từ trường yếu; và mọi đường sức từ đều là đường cong khép kín.
Với dòng điện thẳng, quy tắc "dày ở gần, thưa ở xa" thể hiện rất rõ: càng đến gần dây dẫn, các đường tròn đồng tâm càng sít lại nhau; càng ra xa, chúng càng giãn rộng. Điều này khớp với trực giác thực tế: đặt một kim la bàn sát dây dẫn có dòng điện, kim lệch hướng rất mạnh; đưa kim ra xa dần, độ lệch giảm dần — từ trường yếu đi theo khoảng cách, đúng như mật độ đường sức đã gợi ý bằng hình vẽ, dù bài này chưa cần một công thức số để mô tả mức giảm đó.
Chính Trái Đất cũng là một nguồn từ trường khổng lồ, gần đúng như một thanh nam châm khổng lồ đặt nghiêng so với trục quay. Cực từ nằm gần cực Bắc địa lí thực chất đóng vai trò cực Nam từ của "thanh nam châm Trái Đất" — vì đường sức từ đi vào ở đó, và một kim la bàn (có cực Bắc riêng) bị hút về phía cực Nam từ ấy, nên kim la bàn luôn quay cực Bắc của nó về hướng Bắc địa lí. Đây là lí do la bàn định hướng được: nó chỉ đơn giản là một nam châm nhỏ tự do xoay theo đường sức của từ trường Trái Đất.
Ngón cái chỉ chiều dòng điện $I$, chiều khum của các ngón còn lại là chiều đường sức từ.
Ví dụ
Xác định chiều đường sức từ quanh một dây dẫn thẳng
1
Một dây dẫn thẳng đặt thẳng đứng, dòng điện chạy theo chiều từ dưới lên trên. Xác định chiều đường sức từ tại một điểm nằm ngay phía trước mặt người quan sát (người đứng đối diện dây, nhìn về phía dây).
2
Ta nắm bàn tay phải quanh dây sao cho ngón cái duỗi thẳng, hướng từ dưới lên (đúng chiều dòng điện đã cho). Khi đó bốn ngón tay còn lại khum theo chiều ngược kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống dọc theo dây.
3
Tại điểm ngay trước mặt người quan sát, đường sức từ có chiều đi từ phải sang trái (đối với người đó). Đường sức tại mọi điểm khác quanh dây tiếp tục theo đúng vòng tròn khép kín cùng chiều đó. Vậy đường sức từ tại điểm phía trước người quan sát hướng từ phải sang trái.
Ví dụ
Suy ngược chiều dòng điện từ độ lệch của kim la bàn
1
Một kim la bàn đặt ngay phía dưới một dây dẫn thẳng nằm ngang, ban đầu kim chỉ hướng Bắc–Nam như bình thường. Khi cho dòng điện chạy qua dây, cực Bắc của kim la bàn lệch về phía Đông. Xác định chiều dòng điện trong dây (theo hướng Đông–Tây hay Tây–Đông).
2
Cực Bắc của kim la bàn luôn chỉ theo chiều đường sức từ tại vị trí đặt kim. Kim lệch về phía Đông nghĩa là đường sức từ do dòng điện gây ra, tại điểm ngay dưới dây, có chiều hướng về phía Đông.
3
Ta hình dung nắm bàn tay phải sao cho tại điểm phía dưới dây, các ngón tay khum theo chiều hướng Đông. Muốn vậy, ngón cái (chỉ chiều dòng điện) phải duỗi theo hướng Bắc.
4
Vậy dòng điện trong dây dẫn chạy theo chiều từ Nam lên Bắc. Đây là cách dùng đúng một kim la bàn để phát hiện chiều dòng điện trong dây dẫn ẩn, không cần cắt dây ra xem.
5
Thử lại theo chiều thuận: nếu dòng điện chạy từ Nam lên Bắc, nắm bàn tay phải với ngón cái hướng Bắc, bốn ngón khum quanh dây — tại điểm ngay phía dưới dây, chiều khum đúng là hướng Đông, khớp với dữ kiện đề bài rằng kim lệch về phía Đông.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất là dùng tay phải nhưng lại để ngón cái chỉ SAI chiều dòng điện (chỉ ngược, từ cực dương giả định thay vì đúng chiều electron di chuyển hay chiều quy ước đã cho trong đề). Luôn đọc kỹ đề bài xem chiều dòng điện đã cho là chiều nào rồi mới đặt ngón cái. Một lỗi khác là dùng nhầm tay trái cho bài toán xác định đường sức — quy tắc nắm tay phải chỉ dùng để tìm chiều từ trường DO dòng điện gây ra, không dùng để tìm lực.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Đường sức từ là đường cong khép kín có tiếp tuyến trùng phương từ trường tại mỗi điểm. Với dòng điện thẳng, đường sức là các đường tròn đồng tâm quanh dây, chiều xác định bằng quy tắc nắm tay phải: ngón cái theo chiều dòng điện, các ngón còn lại khum theo chiều đường sức.
Bài tiếp theo áp dụng đúng quy tắc nắm tay phải này cho một nguồn từ trường khác — dòng điện chạy trong một vòng dây tròn — và tổng kết lại các quy tắc chung cho mọi loại đường sức từ đã gặp trong chương này.
Ở lớp 9, em đã biết nam châm có hai cực (Bắc — N, Nam — S), hai cực cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau, và một dòng điện chạy qua ống dây có lõi sắt tạo ra một nam châm điện — chiều của từ trường trong lòng ống dây đó được xác định bằng quy tắc nắm tay phải. Bài này dùng lại đúng quy tắc đó, nhưng áp dụng cho một dây dẫn thẳng đơn lẻ trước khi mở rộng sang ống dây ở chương sau.
Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian xung quanh nam châm và xung quanh dòng điện, biểu hiện qua lực từ mà nó tác dụng lên một nam châm thử hoặc lên một dòng điện khác đặt trong đó. Để hình dung từ trường, người ta dùng đường sức từ — một đường cong vẽ trong không gian có từ trường sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó, còn chiều của đường sức là chiều của vectơ ấy (cũng là chiều mà cực Bắc của một kim la bàn đặt tại điểm đó chỉ vào).
Với nam châm thẳng, đường sức từ đi ra từ cực Bắc, vòng qua không gian bên ngoài nam châm rồi đi vào cực Nam; bên trong lòng nam châm, đường sức lại đi tiếp từ cực Nam về cực Bắc để khép kín thành một đường cong liên tục — đường sức từ luôn là đường cong khép kín, không có điểm đầu điểm cuối như đường sức điện (đường sức điện xuất phát từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm).
Với dòng điện thẳng dài, đường sức từ là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn, tâm của các đường tròn nằm trên chính dây dẫn đó. Chiều của các đường tròn này được xác định bằng quy tắc nắm tay phải: nắm bàn tay phải sao cho ngón cái duỗi thẳng chỉ theo chiều dòng điện, khi đó chiều khum của bốn ngón tay còn lại chính là chiều của đường sức từ bao quanh dây.
Ba quy tắc chung cho mọi đường sức từ, dù nguồn tạo ra chúng là gì: tại mỗi điểm chỉ có một đường sức đi qua (các đường sức không bao giờ cắt nhau, vì tại một điểm từ trường chỉ có một phương và một chiều xác định); nơi đường sức dày đặc là nơi từ trường mạnh, nơi đường sức thưa là nơi từ trường yếu; và mọi đường sức từ đều là đường cong khép kín.
Với dòng điện thẳng, quy tắc "dày ở gần, thưa ở xa" thể hiện rất rõ: càng đến gần dây dẫn, các đường tròn đồng tâm càng sít lại nhau; càng ra xa, chúng càng giãn rộng. Điều này khớp với trực giác thực tế: đặt một kim la bàn sát dây dẫn có dòng điện, kim lệch hướng rất mạnh; đưa kim ra xa dần, độ lệch giảm dần — từ trường yếu đi theo khoảng cách, đúng như mật độ đường sức đã gợi ý bằng hình vẽ, dù bài này chưa cần một công thức số để mô tả mức giảm đó.
Chính Trái Đất cũng là một nguồn từ trường khổng lồ, gần đúng như một thanh nam châm khổng lồ đặt nghiêng so với trục quay. Cực từ nằm gần cực Bắc địa lí thực chất đóng vai trò cực Nam từ của "thanh nam châm Trái Đất" — vì đường sức từ đi vào ở đó, và một kim la bàn (có cực Bắc riêng) bị hút về phía cực Nam từ ấy, nên kim la bàn luôn quay cực Bắc của nó về hướng Bắc địa lí. Đây là lí do la bàn định hướng được: nó chỉ đơn giản là một nam châm nhỏ tự do xoay theo đường sức của từ trường Trái Đất.
Ngón cái chỉ chiều dòng điện I, chiều khum của các ngón còn lại là chiều đường sức từ.
Nhầm lẫn phổ biến nhất là dùng tay phải nhưng lại để ngón cái chỉ SAI chiều dòng điện (chỉ ngược, từ cực dương giả định thay vì đúng chiều electron di chuyển hay chiều quy ước đã cho trong đề). Luôn đọc kỹ đề bài xem chiều dòng điện đã cho là chiều nào rồi mới đặt ngón cái. Một lỗi khác là dùng nhầm tay trái cho bài toán xác định đường sức — quy tắc nắm tay phải chỉ dùng để tìm chiều từ trường DO dòng điện gây ra, không dùng để tìm lực.