Trong chương 3 Vật Lí 12, bài Từ trường là nền tảng quan trọng mở đầu cho toàn bộ phần Điện từ học. Đây là bài học giúp học sinh hiểu được nguồn gốc của từ trường, bản chất vật lí, cũng như cách biểu diễn và đo lường đại lượng đặc trưng cho từ trường là cảm ứng từ.
Từ trường không chỉ xuất hiện quanh nam châm, mà còn hình thành xung quanh dòng điện, hạt mang điện chuyển động. Hiểu rõ về từ trường sẽ giúp ta nắm được cơ chế hoạt động của động cơ điện, máy phát điện, máy biến áp và nhiều thiết bị điện – điện tử hiện đại.
Tương tự, một dòng điện cũng có thể tác dụng lực lên nam châm, hoặc hai dòng điện gần nhau có thể hút – đẩy tùy theo chiều dòng điện.
Kết luận: Các hiện tượng tương tác giữa:
Đây là loại lực không tiếp xúc, truyền qua môi trường đặc biệt gọi là từ trường.
Lực từ có thể hút hoặc đẩy, phụ thuộc vào chiều của dòng điện hoặc cực của nam châm tương tác.
Điều đó chứng tỏ xung quanh dây dẫn có dòng điện xuất hiện một vùng không gian đặc biệt – vùng này tác dụng lực từ lên nam châm hoặc dòng điện khác.
Vùng ấy gọi là từ trường.
Khi đặt vào vùng có từ trường, kim sẽ lệch khỏi hướng Bắc – Nam, chứng tỏ tồn tại lực từ.
Vectơ $\vec{B}$ đặc trưng cho độ lớn, phương và chiều của tác dụng từ tại một điểm trong không gian.
Trong đó:
Một ví dụ điển hình là vùng giữa hai cực của nam châm hình chữ U, nơi các đường sức từ song song và cách đều nhau.
Những hình ảnh đó gọi là từ phổ.
Từ phổ giúp ta quan sát trực quan cấu trúc và hình dạng của từ trường xung quanh nam châm hoặc dòng điện.
Vì vậy, nhìn vào hình dạng và mật độ đường sức, ta có thể đánh giá độ mạnh yếu của từ trường tại từng vùng không gian.
Ví dụ 2: Xác định chiều của $\vec{B}$ xung quanh dây dẫn thẳng nếu dòng điện có chiều từ dưới lên trên.
Từ trường giúp ta hiểu vì sao dòng điện có thể sinh lực, giải thích hoạt động của nam châm điện, động cơ điện, máy phát xoay chiều, và mở đầu cho khái niệm quan trọng hơn: hiện tượng cảm ứng điện từ ở bài sau.
Khi học bài này, học sinh nên:
Từ trường không chỉ xuất hiện quanh nam châm, mà còn hình thành xung quanh dòng điện, hạt mang điện chuyển động. Hiểu rõ về từ trường sẽ giúp ta nắm được cơ chế hoạt động của động cơ điện, máy phát điện, máy biến áp và nhiều thiết bị điện – điện tử hiện đại.
I. Tương tác từ là gì?
1. Khái niệm tương tác từ
Khi quan sát hai nam châm, ta thấy chúng có thể hút hoặc đẩy nhau tùy theo vị trí cực Bắc (N) và cực Nam (S). Hiện tượng này gọi là tương tác từ.- Nam châm ↔ Nam châm,
- Nam châm ↔ Dòng điện,
- Dòng điện ↔ Dòng điện
2. Lực từ
Lực xuất hiện trong các tương tác trên được gọi là lực từ.Đây là loại lực không tiếp xúc, truyền qua môi trường đặc biệt gọi là từ trường.
Lực từ có thể hút hoặc đẩy, phụ thuộc vào chiều của dòng điện hoặc cực của nam châm tương tác.
II. Khái niệm về từ trường
1. Nguồn gốc của từ trường
Thí nghiệm của Oersted (1820) cho thấy: khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, kim nam châm đặt gần đó bị lệch khỏi hướng Bắc – Nam địa lí.Điều đó chứng tỏ xung quanh dây dẫn có dòng điện xuất hiện một vùng không gian đặc biệt – vùng này tác dụng lực từ lên nam châm hoặc dòng điện khác.
Vùng ấy gọi là từ trường.
2. Định nghĩa từ trường
3. Tính chất cơ bản của từ trường
Từ trường gây ra lực từlên:- Một nam châm khác,
- Một dây dẫn có dòng điện,
- Hoặc một hạt mang điện đang chuyển động trong không gian.
Khi đặt vào vùng có từ trường, kim sẽ lệch khỏi hướng Bắc – Nam, chứng tỏ tồn tại lực từ.
III. Cảm ứng từ – Đại lượng đặc trưng cho từ trường
1. Định nghĩa
Để định lượng từ trường, vật lí học sử dụng đại lượng vectơ cảm ứng từ, ký hiệu là $\vec{B}$.Vectơ $\vec{B}$ đặc trưng cho độ lớn, phương và chiều của tác dụng từ tại một điểm trong không gian.
- Đơn vị: Tesla (T).
- Quy ước chiều: Chiều từ cực Nam → cực Bắc của kim nam châm thử đặt tại điểm khảo sát.
2. Độ lớn của cảm ứng từ
Thí nghiệm cho thấy: khi đặt một đoạn dây dẫn dài $L$ mang dòng điện $I$ trong từ trường, lực từ tác dụng lên dây có độ lớn $F$ được xác định theo công thức: $B = \frac{F}{I L \sin \alpha}$Trong đó:
- $B$: độ lớn cảm ứng từ (Tesla),
- $F$: lực từ tác dụng (N),
- $I$: cường độ dòng điện (A),
- $L$: chiều dài dây (m),
- $\alpha$: góc giữa phương dòng điện và hướng của $\vec{B}$.
3. Ý nghĩa vật lí của cảm ứng từ
Giá trị $B$ càng lớn → từ trường càng mạnh → lực từ tác dụng lên dòng điện hoặc nam châm trong đó càng lớn.4. Từ trường đều
Nếu tại mọi điểm trong không gian, độ lớn và hướng của $\vec{B}$ không thay đổi, ta nói đó là từ trường đều.Một ví dụ điển hình là vùng giữa hai cực của nam châm hình chữ U, nơi các đường sức từ song song và cách đều nhau.
IV. Từ phổ và đường sức từ
1. Từ phổ
Thí nghiệm cho thấy: nếu đặt một tờ giấy lên nam châm rồi rắc mạt sắt mịn, ta sẽ thấy các hạt sắt xếp thành hình cong đặc trưng.Những hình ảnh đó gọi là từ phổ.
2. Khái niệm đường sức từ
- Chiều của đường sức từ trùng với chiều của $\vec{B}$.
- Các đường sức từ biểu diễn hướng và cường độ của từ trường.
3. Đặc điểm của đường sức từ
| Đặc điểm | Giải thích / Ý nghĩa |
|---|---|
| Qua mỗi điểm trong từ trường chỉ có một đường sức từ duy nhất | Vì tại một điểm chỉ tồn tại một hướng cảm ứng từ. |
| Các đường sức từ là các đường cong khép kín | Do từ trường không có điểm đầu – điểm cuối, khác với đường sức điện. |
| Nơi từ trường mạnh → đường sức dày, nơi yếu → thưa | Mật độ đường sức tỉ lệ với độ lớn của $B$. |
V. Quy tắc xác định chiều đường sức từ
1. Quy tắc nắm bàn tay phải (dòng điện thẳng)
Giơ bàn tay phải sao cho ngón cái chỉ theo chiều dòng điện trong dây dẫn thẳng, khi đó:- Chiều khum của bốn ngón tay còn lại cho ta chiều của đường sức từ $\vec{B}$ bao quanh dây dẫn.
2. Quy tắc nắm bàn tay phải (dòng điện tròn / ống dây)
Khum bàn tay phải sao cho chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện qua các vòng dây, khi đó:- Ngón cái choãi ra chỉ chiều của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ trong lòng vòng dây hoặc ống dây.
VI. Liên hệ thực tế của từ trường
1. Trong đời sống
- Nam châm được ứng dụng trong loa, tai nghe, motor điện, cửa tủ lạnh, cần cẩu điện từ,…
- Dòng điện trong dây dẫn sinh ra từ trường, ứng dụng trong nam châm điện để điều khiển các thiết bị công nghiệp.
2. Trong tự nhiên
- Trái Đất là một nam châm khổng lồ, tạo ra từ trường Trái Đất giúp kim la bàn luôn chỉ hướng Bắc – Nam.
- Bão từ, cực quang, hay sự lệch của kim la bàn đều là những biểu hiện trực tiếp của từ trường Trái Đất.
VII. So sánh từ trường và điện trường
| Tiêu chí | Điện trường | Từ trường |
|---|---|---|
| Nguồn gốc | Điện tích đứng yên | Dòng điện hoặc điện tích chuyển động |
| Đường sức | Bắt đầu và kết thúc tại điện tích | Là các đường cong khép kín |
| Tác dụng | Lực điện $\vec{F} = q\vec{E}$ | Lực từ $\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}$ |
| Dụng cụ phát hiện | Điện nghiệm | Kim nam châm thử |
| Ứng dụng | Mạch điện tĩnh, tụ điện | Động cơ, máy phát, cảm biến từ |
VIII. Công thức và đại lượng cần ghi nhớ
| Đại lượng | Ký hiệu | Công thức | Đơn vị |
|---|---|---|---|
| Lực từ tác dụng lên dây dẫn | $F$ | $F = I L B \sin \alpha$ | N |
| Độ lớn cảm ứng từ | $B$ | $B = \dfrac{F}{I L \sin \alpha}$ | T (Tesla) |
| Từ trường đều | $\vec{B} = \text{const}$ | Không đổi theo vị trí | — |
| Hướng của $\vec{B}$ | — | Cực Nam → Cực Bắc của kim thử | — |
IX. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một đoạn dây dẫn dài $L = 0.1,\text{m}$ mang dòng điện $I = 2,\text{A}$ đặt trong từ trường đều có $B = 0.3,\text{T}$, góc giữa dây và $\vec{B}$ là $90^\circ$. Tính lực từ tác dụng lên dây.Giải
$F = I L B \sin \alpha = 2 \times 0.1 \times 0.3 \times \sin 90^\circ = 0.06,\text{N}$ → Lực từ có độ lớn $F = 0.06,\text{N}.$Ví dụ 2: Xác định chiều của $\vec{B}$ xung quanh dây dẫn thẳng nếu dòng điện có chiều từ dưới lên trên.
Giải thích
Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải:- Ngón cái: chỉ theo chiều dòng điện (lên trên).
- Các ngón tay: cho biết chiều đường sức từ – thuận kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống.
X. Kết luận
Bài “Từ trường – Vật Lí 12” là nền móng cho các bài học kế tiếp trong chương trình Điện từ học.Từ trường giúp ta hiểu vì sao dòng điện có thể sinh lực, giải thích hoạt động của nam châm điện, động cơ điện, máy phát xoay chiều, và mở đầu cho khái niệm quan trọng hơn: hiện tượng cảm ứng điện từ ở bài sau.
Khi học bài này, học sinh nên:
- Vẽ hình minh họa, xác định đúng chiều của $\vec{B}$.
- Ghi nhớ quy tắc tay phải và các công thức cơ bản.
- Liên hệ thực tế: các thiết bị điện quanh ta đều hoạt động nhờ sự tương tác của từ trường.
Chỉnh sửa cuối:
