Bài 14. Từ trường trang 56, 57, 58 Vật Lí 12 Kết nối tri thức
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?
Câu hỏi tr 56 CHMĐ
Phương pháp giải bài toán này dựa trên kiến thức cơ bản về Từ trường trong chương trình Vật lí 12. Cụ thể:
- Thí nghiệm Oersted: Sử dụng để chứng minh dòng điện sinh ra từ trường.
- Đặc trưng của từ trường: Được đặc trưng bởi vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$, tác dụng lực từ lên dòng điện hoặc nam châm khác.
- Cách biểu diễn: Sử dụng các đường sức từ (đường cong giả định mà tiếp tuyến tại mỗi điểm là vectơ cảm ứng từ) và mật độ đường sức để thể hiện độ mạnh yếu của từ trường.
Dưới đây là câu trả lời chi tiết cho các câu hỏi mở đầu trang 56 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:
1. Xung quanh dòng điện có tồn tại từ trường không?Có, xung quanh một dòng điện luôn tồn tại từ trường. Điều này đã được Hans Christian Oersted phát hiện vào năm 1820 khi ông nhận thấy kim nam châm bị lệch đi khi đặt gần một dây dẫn có dòng điện chạy qua. Hiện tượng này chứng tỏ dòng điện tạo ra một từ trường xung quanh nó, đủ mạnh để tác động lực làm quay kim nam châm.
Hình minh họa: Đường sức từ xung quanh dây dẫn thẳng có dòng điện I chạy qua
Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên một nam châm khác hoặc một dòng điện đặt trong nó. Cụ thể:
- Lực từ: Có thể là lực hút hoặc lực đẩy tùy thuộc vào chiều của dòng điện và hướng của từ trường.
- Hướng của từ trường: Tại mỗi điểm trong từ trường, hướng của từ trường là hướng của kim nam châm khi đặt tự do tại điểm đó.
- Độ mạnh yếu (Cảm ứng từ): Được đặc trưng bởi vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Độ lớn $B$ càng lớn thì tác dụng lực từ càng mạnh.
Từ trường được biểu diễn bằng các đường sức từ:
- Định nghĩa: Đường sức từ là những đường cong giả định mà tiếp tuyến tại mỗi điểm trên đường đó trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ tại điểm đó.
- Chiều: Quy ước chiều của đường sức từ là chiều từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) của nam châm, hoặc theo quy tắc nắm tay phải đối với dòng điện.
- Mật độ: Nơi nào từ trường mạnh thì các đường sức từ vẽ dày (sát nhau), nơi nào từ trường yếu thì các đường sức từ vẽ thưa.
Câu hỏi tr 56 HĐ
Để trả lời các câu hỏi này, chúng ta vận dụng các kiến thức cốt lõi về từ học trong chương trình Vật lí 12:
- Tương tác giữa các cực từ: Hai cực cùng tên thì đẩy nhau, hai cực khác tên thì hút nhau.
- Từ trường của dòng điện (Thí nghiệm Oersted): Dòng điện chạy trong dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh nó. Hướng của từ trường phụ thuộc vào chiều của dòng điện.
- Tương tác giữa hai dòng điện: Hai dòng điện chạy cùng chiều trong hai dây dẫn song song thì hút nhau, và chạy ngược chiều thì đẩy nhau.
- Định luật III Newton: Lực tương tác giữa hai đối tượng luôn xuất hiện thành cặp lực đối xứng (lực và phản lực).
Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 56:
1. Tương tác giữa hai nam châm/kim nam châm:
Dựa trên tính chất cơ bản của nam châm:
- Khi đưa hai cực cùng tên (ví dụ: Bắc - Bắc hoặc Nam - Nam) lại gần nhau, chúng sẽ đẩy nhau.
- Khi đưa hai cực khác tên (Bắc - Nam) lại gần nhau, chúng sẽ hút nhau.
Hình minh họa: Tương tác giữa các cực của nam châm
2. Thí nghiệm Oersted (Dòng điện và kim nam châm):
- Dự đoán: Khi đổi chiều dòng điện chạy qua dây dẫn, từ trường do dòng điện tạo ra sẽ bị đảo ngược hướng. Do đó, kim nam châm sẽ bị lệch một góc về phía ngược lại so với lần lệch ban đầu.
- Về lực tương tác: Có, kim nam châm có tác dụng lực lên dòng điện. Theo định luật III Newton, nếu dòng điện (thông qua từ trường) tác dụng lực từ lên kim nam châm làm nó quay, thì ngược lại, kim nam châm cũng tác dụng một lực có cùng độ lớn nhưng ngược chiều lên dây dẫn mang dòng điện. Tuy nhiên, vì dây dẫn thường được cố định chắc chắn và khối lượng kim nam châm rất nhỏ, nên lực này không làm dây dẫn dịch chuyển một cách dễ dàng để ta quan sát thấy.
Hình minh họa: Kim nam châm bị lệch do từ trường của dòng điện
3. Tương tác giữa hai tấm kim loại mang dòng điện:
- Hiện tượng xảy ra: Nếu dòng điện chạy qua hai tấm kim loại cùng chiều, hai tấm kim loại sẽ hút nhau.
- Giải thích: Đây là ứng dụng của quy tắc tương tác giữa hai dòng điện song song. Khi dòng điện ngược chiều, chúng đẩy nhau (như mô tả trong Hình 14.3); khi dòng điện cùng chiều, từ trường do tấm này tạo ra tác dụng lực kéo tấm kia về phía mình và ngược lại.
Hình minh họa: Hai dòng điện cùng chiều hút nhau
Câu hỏi tr 57 HĐ
Để khảo sát lực từ do nam châm tác dụng lên dòng điện, ta dựa trên nguyên lí tương tác giữa từ trường của nam châm và từ trường do dòng điện tạo ra. Khi một dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường đều, nó sẽ chịu tác dụng của lực từ (lực Ampere). Phương pháp thực hiện là thiết lập một mạch điện đơn giản với dây dẫn đặt giữa hai cực của một nam châm hình chữ U và quan sát sự biến dạng hoặc chuyển động của dây dẫn khi đóng/ngắt mạch điện hoặc thay đổi chiều dòng điện.
Để khảo sát lực từ do nam châm tác dụng lên một dòng điện, ta thực hiện thí nghiệm theo các bước chi tiết sau:
1. Dụng cụ thí nghiệm:- Một nam châm hình chữ U có từ trường mạnh và đều giữa hai cực.
- Một đoạn dây dẫn mảnh, linh hoạt (có thể uốn cong), được treo tự do hoặc đặt trên giá đỡ sao cho nó nằm trong khoảng không gian giữa hai cực của nam châm.
- Một nguồn điện một chiều (pin hoặc bộ nguồn DC).
- Một công tắc điện và các dây nối để tạo thành mạch điện kín.
Hình minh họa: Sơ đồ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dây dẫn
- Bước 1: Đặt đoạn dây dẫn vào giữa hai cực của nam châm sao cho dây dẫn vuông góc với đường sức từ $\vec{B}$ (đường sức từ đi từ cực Bắc N sang cực Nam S). Lúc này, khi chưa cho dòng điện chạy qua, dây dẫn ở trạng thái cân bằng.
- Bước 2: Đóng công tắc để dòng điện $I$ chạy qua dây dẫn.
Hiện tượng: Ngay khi có dòng điện, dây dẫn bị đẩy lệch khỏi vị trí ban đầu (văng ra hoặc bị hút vào tùy chiều dòng điện). Điều này chứng tỏ có một lực tác dụng lên dây dẫn, gọi là lực từ. - Bước 3: Đảo chiều dòng điện (đổi cực nguồn điện).
Hiện tượng: Dây dẫn sẽ bị đẩy lệch theo hướng ngược lại so với Bước 2. - Bước 4: Đảo chiều nam châm (đổi cực N và S).
Hiện tượng: Lực từ lại thay đổi hướng, tác dụng lên dây dẫn theo hướng ngược lại.
Dòng điện chạy trong dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh nó. Khi đặt dây dẫn này vào trong từ trường của nam châm, hai từ trường này tương tác với nhau, tạo ra một lực cơ học tác dụng lên dây dẫn. Lực này được gọi là lực từ (hay lực Ampere).
Hướng của lực từ $\vec{F}$ được xác định bằng Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ $\vec{B}$ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón giữa hướng theo chiều dòng điện $I$, khi đó ngón cái choãi ra $90^\circ$ chỉ chiều của lực từ $\vec{F}$.
Kết luận: Thí nghiệm cho thấy nam châm tác dụng một lực lên dây dẫn có dòng điện chạy qua. Chiều của lực này phụ thuộc vào chiều của dòng điện và chiều của từ trường.Câu hỏi tr 58 HĐ 1
Để trả lời câu hỏi này, ta dựa trên nguyên lý về đường sức từ: Các mạt sắt trong dầu đóng vai trò như những kim nam châm nhỏ, chúng sẽ tự sắp xếp theo hướng của các đường sức từ tại mỗi điểm trong không gian. Từ đó, hình ảnh phân bố của mạt sắt chính là hình ảnh trực quan của các đường sức từ. Cụ thể:
- Từ trường giữa hai cực trái dấu: Các đường sức từ nối từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S), tạo nên các đường thẳng song song và gần như cách đều nhau.
- Từ trường giữa hai cực cùng tên: Các đường sức từ đẩy nhau, tạo ra một vùng trống (điểm trung hòa) ở giữa nơi từ trường rất yếu.
- Từ trường đều: Là từ trường mà vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ tại mọi điểm đều cùng hướng và cùng độ lớn, biểu diễn bằng các đường sức từ là những đường thẳng song song và cách đều nhau.
Dưới đây là lời giải chi tiết cho các yêu cầu của hoạt động:
1. Nhận xét hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở Hình 14.4b và Hình 14.4c:
- Hình 14.4b (Hai cực trái dấu gần nhau): Các mạt sắt phân bố tập trung, tạo thành những đường cong nối từ cực Bắc của nam châm này sang cực Nam của nam châm kia. Đặc biệt, ở khoảng giữa hai nam châm, các mạt sắt sắp xếp thành những đường thẳng song song và gần như cách đều nhau. Điều này cho thấy từ trường ở vùng này khá đồng nhất.
- Hình 14.4c (Hai cực cùng tên gần nhau): Các mạt sắt không nối giữa hai nam châm mà bị đẩy ra xa nhau, uốn cong về hai phía. Ở khoảng chính giữa hai cực, có một vùng trống không có mạt sắt (hoặc mạt sắt phân bố rất thưa thớt). Điều này chứng tỏ tại đó các đường sức từ đẩy nhau và triệt tiêu nhau, tạo ra một vùng có từ trường rất yếu hoặc bằng không.
Hình minh họa: So sánh sự phân bố mạt sắt giữa hai trường hợp trái dấu và cùng tên
2. Nhận xét về nam châm hình chữ U và kết luận:
- Nhận xét: Ở khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U, các mạt sắt phân bố rất đều, tạo thành những đường thẳng song song và cách đều nhau, chạy vuông góc với hai mặt cực của nam châm.
- Kết luận: Từ trường trong khoảng giữa hai cực của nam châm hình chữ U là một từ trường đều. Tại mọi điểm trong vùng này, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ có cùng hướng (từ cực Bắc sang cực Nam) và cùng độ lớn.
Hình minh họa: Đặc điểm từ trường giữa hai cực nam châm chữ U
Câu hỏi tr 58 HĐ 2
Để giải quyết bài tập này, chúng ta vận dụng các kiến thức cơ bản về từ trường trong chương trình Vật lí 12:
- Khái niệm đường sức từ: Là những đường vẽ trong không gian sao cho tiếp tuyến với chúng tại mỗi điểm trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó.
- Từ trường của dây dẫn thẳng: Các đường sức từ là những đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn.
- Từ trường của ống dây: Bên trong ống dây, các đường sức từ gần như song song, cách đều nhau (từ trường đều). Bên ngoài ống dây, các đường sức từ là những đường cong khép kín nối từ cực Bắc sang cực Nam, tương tự như từ trường của một nam châm thẳng.
- Nguyên lí mạt sắt: Các mạt sắt đóng vai trò như những nam châm nhỏ, chúng sẽ tự sắp xếp dọc theo hướng của các đường sức từ.
Dựa trên kết quả thí nghiệm quan sát sự phân bố của mạt sắt, ta trả lời các câu hỏi như sau:
Hình minh họa: Mô phỏng đường sức từ của dây dẫn thẳng và ống dây
1. Mô tả hình ảnh sự phân bố mạt sắt xung quanh dòng điện thẳng:
Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng, các mạt sắt không phân bố ngẫu nhiên mà sắp xếp thành những đường tròn đồng tâm bao quanh dây dẫn. Tâm của các đường tròn này chính là vị trí của dây dẫn, và mặt phẳng chứa các đường tròn này vuông góc với dây dẫn. Điều này cho thấy đường sức từ của dòng điện thẳng là những đường tròn đồng tâm.
2. Nhận xét về hình ảnh sự phân bố mạt sắt bên trong và bên ngoài ống dây:
- Bên trong ống dây: Các mạt sắt sắp xếp thành những đường thẳng song song và cách đều nhau, chạy dọc theo trục của ống dây. Điều này chứng tỏ từ trường bên trong lòng ống dây là một từ trường đều (có độ lớn và hướng không đổi tại mọi điểm).
- Bên ngoài ống dây: Các mạt sắt sắp xếp thành những đường cong khép kín, đi ra từ một đầu của ống dây và đi vào ở đầu kia của ống dây.
3. So sánh hình ảnh phân bổ mạt sắt ở bên ngoài ống dây với nam châm thẳng:
Hình ảnh sự phân bố mạt sắt ở bên ngoài ống dây hoàn toàn tương tự với hình ảnh đường sức từ của một nam châm thẳng. Cụ thể:
- Ống dây có hai đầu đóng vai trò như hai cực của nam châm (cực Bắc và cực Nam).
- Các đường sức từ đi ra từ cực Bắc, uốn cong trong không gian rồi đi vào cực Nam, tạo thành những vòng khép kín giống hệt như từ trường xung quanh một thanh nam châm.
Kết luận: Một ống dây dẫn điện khi có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra một từ trường có tính chất tương tự như một nam châm thẳng.
Câu hỏi tr 60 CH
Để xác định chiều của dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng dựa trên vị trí cân bằng của kim nam châm, ta áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải.
- Nguyên lý: Dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng tạo ra từ trường xung quanh nó là những đường sức từ tròn đồng tâm, nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn.
- Quy tắc nắm bàn tay phải: Nắm bàn tay phải sao cho ngón cái choãi ra chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón tay khum lại chỉ chiều của đường sức từ $\vec{B}$.
- Tương tác: Khi đặt kim nam châm vào từ trường, kim sẽ quay cho đến khi đạt vị trí cân bằng, trong đó cực Bắc (N) của kim nam châm sẽ hướng theo chiều của đường sức từ $\vec{B}$ tại điểm đó.
Dựa vào mô tả của bài toán và hình ảnh trong SGK, ta thực hiện các bước lập luận sau:
Bước 1: Xác định chiều của từ trường $\vec{B}$
Kim nam châm khi cân bằng sẽ định hướng theo đường sức từ. Cụ thể, cực Bắc (N) của kim nam châm sẽ chỉ theo chiều của vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$. Quan sát Hình 14.11, ta thấy cực N của kim nam châm hướng sang một phía nhất định (ví dụ: hướng từ trái sang phải hoặc ngược lại tùy theo hình vẽ cụ thể trong sách).
Hình minh họa: Kim nam châm cân bằng trong từ trường của dòng điện thẳng (giả định cực N hướng sang phải)
Bước 2: Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải
Để tạo ra một từ trường có chiều $\vec{B}$ làm cho cực N của kim nam châm hướng sang phải (như hình vẽ minh họa trên), ta đặt bàn tay phải sao cho các ngón tay khum lại theo chiều từ trái sang phải (chiều của $\vec{B}$ tại vị trí kim nam châm). Khi đó, ngón cái choãi ra sẽ hướng vào trong mặt phẳng (vuông góc với mặt giấy/màn hình).
Kết luận:
Chiềy của dòng điện chạy qua dây dẫn là hướng đi vào mặt phẳng (nếu cực N của kim nam châm hướng sang phải khi đặt ở phía bên phải dây dẫn). Ngược lại, nếu cực N hướng sang trái, dòng điện sẽ có chiều đi ra khỏi mặt phẳng. Dựa vào hình 14.11 cụ thể trong SGK, học sinh đối chiếu hướng của cực N để kết luận chính xác chiều dòng điện đi vào hay đi ra.
Lý thuyết
Lý thuyết tổng hợp: Bài 14 - Từ trường
I. Tương tác từ
- Khái niệm: Tương tác từ là tương tác xảy ra giữa: nam châm với nam châm, dòng điện với nam châm, hoặc dòng điện với dòng điện.
- Lực từ: Lực xuất hiện trong các tương tác từ nêu trên được gọi là lực từ.
II. Từ trường
1. Khái niệm: Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh nam châm hoặc dòng điện. Biểu hiện cụ thể của từ trường là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hoặc một nam châm khác đặt trong nó.
2. Tính chất cơ bản: Từ trường gây ra lực từ tác dụng lên nam châm, dòng điện hoặc hạt mang điện chuyển động. Ta có thể dùng kim nam châm (nam châm thử) để phát hiện sự tồn tại của từ trường.
3. Cảm ứng từ \(\vec{B}\):
- Đặc trưng: Véctơ cảm ứng từ \(\vec{B}\) đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực.
- Chiều: Quy ước chiều của \(\vec{B}\) là chiều từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm thử.
- Độ lớn: Điểm nào lực từ tác dụng lên dòng điện/nam châm lớn hơn thì cảm ứng từ tại đó lớn hơn. Công thức xác định: \(B = \frac{F}{IL\sin \alpha}\).
- Từ trường đều: Là từ trường có véctơ cảm ứng từ \(\vec{B}\) tại mọi điểm là như nhau.
III. Đường sức từ
1. Từ phổ: Là hình ảnh các đường tạo bởi mạt sắt, cung cấp cái nhìn trực quan về hình dạng của từ trường.
2. Đường sức từ: Là những đường vẽ trong không gian sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với phương của \(\vec{B}\) và có chiều trùng với chiều của \(\vec{B}\).
3. Đặc điểm của đường sức từ:
- Tại mỗi điểm trong từ trường chỉ có một đường sức từ duy nhất đi qua.
- Các đường sức từ là những đường cong khép kín.
- Mật độ: Nơi từ trường mạnh, đường sức vẽ dày; nơi từ trường yếu, đường sức vẽ thưa.
4. Quy tắc nắm bàn tay phải:
- Đối với dòng điện thẳng: Ngón cái hướng theo chiều dòng điện, khum bốn ngón tay xung quanh dây dẫn $\rightarrow$ chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay là chiều đường sức từ.
- Đối với dòng điện tròn và ống dây: Khum bốn ngón tay theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây $\rightarrow$ ngón cái choãi ra chỉ chiều đường sức từ.
Vật Lí 12 - Kết nối tri thức