Bài học

Nam châm điện — cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu tạo của nam châm điện, giải thích được vì sao nó có từ tính khi có dòng điện chạy qua và mất từ tính gần như ngay khi ngắt dòng điện, nêu được hai yếu tố làm tăng lực từ của nam châm điện, và kể được một vài ứng dụng trong đời sống, kĩ thuật.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học nam châm vĩnh cửu có từ tính không đổi theo thời gian. Ở Course 5, em cũng đã học về dòng điện, hiệu điện thế và cách một mạch điện được đóng, ngắt bằng công tắc. Bài này ghép hai mảnh kiến thức đó lại: dùng dòng điện để tạo ra một nam châm.

Khởi động

Ở các bãi phế liệu, một cần cẩu có gắn một khối nam châm khổng lồ có thể nhấc bổng cả đống sắt vụn nặng hàng tấn lên cao, di chuyển sang vị trí khác, rồi... thả rơi toàn bộ đống sắt xuống ngay lập tức. Một nam châm vĩnh cửu bình thường không thể "thả ra" theo ý muốn như vậy. Loại nam châm nào làm được điều đó?

Kiến thức trọng tâm

Nam châm điện gồm một ống dây dẫn (thường quấn từ dây đồng có lớp cách điện) quấn nhiều vòng quanh một lõi sắt non, hai đầu ống dây được nối với nguồn điện qua công tắc. Khi đóng công tắc, dòng điện chạy qua ống dây tạo ra từ trường; lõi sắt non đặt trong lòng ống dây bị nhiễm từ rất mạnh, khiến toàn bộ hệ (ống dây + lõi sắt) trở thành một nam châm có thể hút được các vật bằng sắt, thép. Khi ngắt công tắc, dòng điện ngừng chạy, và vì lõi làm bằng sắt non (khác với thép) nên từ tính biến mất gần như ngay lập tức — đây chính là lí do nam châm điện dùng được cho việc "hút rồi thả" mà nam châm vĩnh cửu không làm được.

Lực từ của nam châm điện phụ thuộc vào hai yếu tố chính: cường độ dòng điện chạy qua ống dây và số vòng dây quấn quanh lõi sắt. Dòng điện càng lớn, số vòng dây càng nhiều thì từ trường do ống dây tạo ra càng mạnh, nam châm điện hút được vật nặng hơn hoặc hút được vật ở khoảng cách xa hơn. Ngoài ra, nếu đảo chiều dòng điện chạy qua ống dây, hai cực của nam châm điện cũng đổi chỗ cho nhau — chiều đường sức từ cụ thể sẽ được xác định bằng quy tắc nắm tay phải ở bài học sau.

Nhờ khả năng "bật/tắt" và điều chỉnh được độ mạnh, nam châm điện có rất nhiều ứng dụng: cần cẩu điện từ ở bãi phế liệu và cảng biển (nhấc rồi thả kim loại theo ý muốn); chuông điện (lõi sắt bị hút rồi nhả liên tục làm búa gõ vào chuông); rơ-le điện từ dùng dòng điện nhỏ để đóng ngắt một mạch điện công suất lớn khác một cách an toàn.

**Nam châm điện** gồm một ống dây dẫn (thường quấn từ dây đồng có lớp cách điện) quấn nhiều vòng quanh một lõi sắt non, hai đầu ống dây được nối với nguồn điện qua công tắc. Khi đóng công tắc, dòng điện chạy qua ống dây tạo ra từ trường; lõi sắt non đặt trong lòng ống dây bị nhiễm từ rất mạnh, khiến toàn bộ hệ (ống dây + lõi sắt) trở thành một nam châm có thể hút được các vật bằng sắt, thép. Khi ngắt công tắc, dòng điện ngừng chạy, và vì lõi làm bằng **sắt non** (khác với thép) nên từ tính biến mất gần như ngay lập tức — đây chính là lí do nam châm điện dùng được cho việc "hút rồi thả" mà nam châm vĩnh cửu không làm được. Lực từ của nam châm điện phụ thuộc vào hai yếu tố chính: **cường độ dòng điện** chạy qua ống dây và **số vòng dây** quấn quanh lõi sắt. Dòng điện càng lớn, số vòng dây càng nhiều thì từ trường do ống dây tạo ra càng mạnh, nam châm điện hút được vật nặng hơn hoặc hút được vật ở khoảng cách xa hơn. Ngoài ra, nếu đảo chiều dòng điện chạy qua ống dây, hai cực của nam châm điện cũng đổi chỗ cho nhau — chiều đường sức từ cụ thể sẽ được xác định bằng quy tắc nắm tay phải ở bài học sau. Nhờ khả năng "bật/tắt" và điều chỉnh được độ mạnh, nam châm điện có rất nhiều ứng dụng: cần cẩu điện từ ở bãi phế liệu và cảng biển (nhấc rồi thả kim loại theo ý muốn); chuông điện (lõi sắt bị hút rồi nhả liên tục làm búa gõ vào chuông); rơ-le điện từ dùng dòng điện nhỏ để đóng ngắt một mạch điện công suất lớn khác một cách an toàn.

Ví dụ

So sánh lực từ giữa hai nam châm điện

1
Nam châm điện A có ống dây 300 vòng, dòng điện chạy qua 1,5A. Nam châm điện B có ống dây 300 vòng (bằng A), dòng điện chạy qua 3A. Hai lõi sắt và kích thước ống dây giống hệt nhau. Nam châm nào có lực từ mạnh hơn? Giải thích.
2
Ta có số vòng dây của A và B bằng nhau (đều 300 vòng), nên yếu tố số vòng dây không tạo ra sự khác biệt. Dòng điện qua B (3A) lớn hơn dòng điện qua A (1,5A).
3
Theo tính chất đã học, với cùng số vòng dây, dòng điện càng lớn thì lực từ của nam châm điện càng mạnh.
4
Vậy nam châm điện B có lực từ mạnh hơn nam châm điện A, vì dòng điện qua B lớn gấp đôi dòng điện qua A trong khi số vòng dây như nhau.

Ví dụ

Giải thích lựa chọn kĩ thuật ở bãi phế liệu

1
Ở bãi phế liệu, người ta luôn dùng nam châm điện gắn trên cần cẩu để phân loại và di chuyển sắt vụn, không dùng một khối nam châm vĩnh cửu dù nam châm vĩnh cửu có thể chế tạo với lực hút tương đương. Hãy giải thích lí do kĩ thuật của lựa chọn này.
2
Công việc của cần cẩu gồm hai bước bắt buộc: hút chặt khối sắt vụn tại vị trí ban đầu, rồi di chuyển đến vị trí mới và thả rời khối sắt ra — lặp lại liên tục nhiều lần trong ca làm việc.
3
Nam châm vĩnh cửu có từ tính không đổi theo thời gian, không thể "tắt" để thả vật ra mà không cần lực kéo cơ học mạnh (rất khó thực hiện với khối sắt nặng hàng tấn). Nam châm điện thì ngược lại: chỉ cần ngắt dòng điện, lõi sắt non mất từ tính ngay, vật rơi xuống tự nhiên mà không cần thao tác cơ học nào thêm.
4
Vậy nam châm điện được chọn vì có thể chủ động bật/tắt từ tính bằng công tắc điện, phù hợp với chu trình hút — di chuyển — thả lặp lại liên tục mà nam châm vĩnh cửu không đáp ứng được.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ chỉ cần cho dòng điện chạy qua một đoạn dây thẳng (không cuộn thành ống dây, không có lõi sắt) là đã có một nam châm điện mạnh. Thực ra dây dẫn thẳng có dòng điện cũng tạo ra từ trường (sẽ học ở bài sau), nhưng rất yếu; phải quấn thành nhiều vòng dây quanh một lõi sắt non thì từ trường mới đủ mạnh để có ứng dụng thực tế như chuông điện hay cần cẩu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nam châm điện = ống dây quấn quanh lõi sắt non, có dòng điện chạy qua thì có từ tính, ngắt dòng điện thì mất từ tính gần như ngay lập tức. Lực từ tăng khi dòng điện lớn hơn hoặc số vòng dây nhiều hơn. Ứng dụng: cần cẩu điện từ, chuông điện, rơ-le.

Nam châm điện tạo ra từ trường nhờ dòng điện, vậy bản thân dòng điện thẳng (không cuộn) có tạo ra từ trường hay không, và làm sao "nhìn thấy" được từ trường đó? Chương tiếp theo trả lời câu hỏi này.