SGK Vật Lí 11 - Bài 19. Từ trường

19 TừTRƯỜNG
Trong chương I, chúng ta đã nghiên cứu lực điện — lực tương tác giữa các điện tích đứng yên. Nguồn gốc của lực điện là điện trường.
Một vấn đề tự nhiên đuợc đặt ra là khi các điện tích chuyển động thì lực tương tác giữa chúng ra sao ? Chúng gây ra loại trường gì ?
I - NAM CHÂM
HỊ Vật liệu nào sau đây không thể làm nam châm ?
Sắt non.
Đồng ôxit.
c. Sắt ôxit.
D. Mangan ôxit.
Hình 19.1 Kim nam châm
1 Từ rất lâu trong lịch sử, loài người đã nhận thấy một vài loại quặng sắt có khả năng hút được sắt vụn. Loại quặng sắt đó được gọi là nam châm, về sau người ta nhận thấy vật liệu dùng để làm nam châm thường là các chất (hoặc là các hợp chất của chúng) : sắt, niken, côban, mangan, gadolinium, disprôsium. Hn
2 Trên một nam châm, có những miền hút sắt vụn mạnh nhất: đó là các cực của nam châm. Mỗi nam châm bao giờ cũng có hai loại cực phân biệt. Một kim nam châm nhỏ được đặt tự do và có thể quay xung quanh một trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của kim (Hình 19.1), nếu không có một nam châm nào khác (hoặc một dòng điện nào) đặt gần kim nam châm ấy, thì ta thấy nó luôn nằm theo hướng Nam - Bắc. Do vậy, hai cực của nam châm cũng được đặt tên là cực Nam và cực Bắc, kí hiệu là s (South) và N (North).
'////////////////.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng, giữa các nam châm có tương tác với nhau thông qua các lực đặt vào các cực. Cụ thể là hai cực của hai nam châm đặt gần nhau sẽ đẩy nhau khi chúng cùng tên và hút nhau khi chúng khác tên. Lực tương tác đó được gọi là lực từ và các nam châm được gọi là có từ tính. PF
Hình 19.2
[*
Một thanh nam châm M được giữ thăng bằng nằm ngang bằng một sợi dây thẳng đứng đi qua trọng tâm của nó (Hình 19.2). Người quan sát cầm một thanh nam châm thứ hai sao cho không được chạm vào thanh nam châm M. Hỏi phải đặt thanh nam châm thứ hai như thế nào để cho cực Bắc của thanh nam châm M : a) đi lên ? b) đi xuống ?
c) chuyển động theo đường tròn trong mặt ptiẳng nằm ngang ?
Dòng điện	' I
Hình 19.3'
Lực từ do dòng điện tác dụng lên nam châm
Trẽn Hình 19.3, kí hiệu 0 có nghĩa là lực F, hướng về phía sau mật phảng hình vẽ ; kí hiệu o có nghĩa là lực F2 hướng về phía trước mặt phảng hình vẽ.
II - Từ TÍNH CỦA DÂY DẪN CÓ DÒNG ĐIỆN
1 Thực nghiệm chứng tỏ rằng, dây dẫn có dòng điện (gọi tắt là dòng điện) cũng có từ tính như nam châm. Cụ thể là :
Dòng điện có thể tác dụng lực lên nam châm ;
Nam châm có thể tác dụng lực lên dòng điện ;
Hai dòng điện có thể tương tác với nhau.
Trên Hình 19.3, dòng điện có cường độ I chạy trong dây dẫn cố định đặt song song với một nam châm. Dưới tác dụng của lực từ do dòng điện gây ra, cực Bắc của nam châm dịch chuyển về phía trước hình vẽ, cực Nam của nam châm dịch chuyển về phía sau.
Trên Hình 19.4, nam châm cố định tác dụng lực từ F lên đoạn dây dẫn có dòng điện 1. Ở đây, đoạn dây dẫn. có một đầu nhúng vào một dung dịch dẫn điện để khép kín dòng điện, đồng thời đoạn dây dẫn ấy cũng có thể xê dịch tuỳ theo tác dụng-của lực từ do nam châm gây ra.
Hình 19.4
Lực từ do nam châm tác dụng lên dòng điện
S
I, I2
Hút
Trên Hình 19.5, hai'dây dẫn song song có các dòng điện /p Ạ, tác dụng lên nhau lực hút khi /, và /2 cùng chiều, lực đẩy khi I} và ngược chiều.
kết luận
Giữa hai dây dẫn có dòng điện (gọi tắt là hai dòng điện), giữa hai nam châm, giữa một dòng điện và một nam châm đều có lực tưomg tác ; những lực tương tác ấy gọi là lực từ. Ta cũng nói dòng điện và nam châm có từ tính.
A
Đẩy
4
Hình 19.5
Lực tương tác giữa hai dòng điện thẳng song song
Ill-TừTRƯỜNG
Trong chương I, để giải thích sự xuất hiện của lực điện, người ta đưa ra khái niệm điện trường.
Trong chương này, chúng ta dùng phương pháp so sánh tương tự để giải thích sự xuất hiện của lực từ.
Xung quanh một dòng điện hay một nam châm tồn tại một từ trường. Chính từ trường này đã gây ra lực từ tác dụng lên một dòng điện khác hay một nam châm khác đặt trong đó.
Định nghĩa
Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.
Để phát hiện sự tồn tại của từ trường trong một khoảng không gian nào đó, người ta sử dụng kim nam châm nhỏ, đặt tại những vị trí bất kì trong khoảng không .gian â'y. Nếu không có tác dụng của từ trường của một dòng điện hay một nam châm thì kim nam châm nói trên luôn nằm theo hướng Nam - Bắc. Khi có tác dụng của từ trường của một dòng điện hay một nam châm, kim nam châm nói trên sẽ quay đến một vị trí cân bằng xác định ; vị trí này tuỳ thuộc vào chỗ đặt kim nam châm trong từ trường.
Người ta quy ước : Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.
IV - ĐƯỜNG sức TỪ
Để biểu diễn về mặt hình học sự tồn tại của từ trường trong không gian, người ta đưa ra khái niệm đường sức từ.
Định nghĩa
Đường sức từ là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có phương trùng với phương của từ trường tại điểm đó.
Đồng thời, người tạ cũng quy ước chiều của đường sức từ tại một điểm là chiều của từ trường tại điểm đó.
b) Quy tắc nắm tay phải
Hình 19.7.
Có thể quan sát hình dạng của những đường sức từ bằng thí nghiệm từ phổ: rắc mạt sắt lên một tấm kính (hay nhựa trong) nhẵn và đưa vào trong từ trường cần quan sát. Do tác dụng của từ trường đó, các mạt sắt trở thành những nam châm nhỏ (bị từ hoáỵ Các nam châm nhỏ đó sẽ sắp xếp'theo những đường sức từ.
Các ví dụ về đường sức từ
Ví dụ 1 : Từ trường của dòng điện thẳng rất dài
Thí nghiệm từ phổ cho kết quả về các đường sức từ gây bởi một dòng điện thẳng rất dài có cường độ I (Hinh 19.7a):
Là những đường tròn nằm trong những mặt phẳng vuông góc với dòng điện và có tâm nằm trên dòng điện ;
Có chiều được xác định bởi C[uy tắc nắm tay phải sau đây (Hình 19.7b) :
a) Dòng điện thẳng có chiều hướng về phía sau mặt phẳng hình vẽ.
b) Dòng điện thẳng có chiều hướng về phía trước mặt phẳng hình vẽ.
Hình 19.8
Đường sức từ của dòng điện thẳng
- Đẽ bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dày dấn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón kia khum lại cho ta chiều của các đường sức từ.
Hình 19.8 biểu diễn đường sức từ của dòng điện thẳng.
Ví dụ 2 : Từ trường của dòng điện tròn
Thí nghiệm từ phổ cho ta hình dạng các đường sức từ của dòng điện tròn như Hình 19.9a.
Các đường sức từ của dòng điện tròn đều có chiều cùng đi vào một mặt và đi ra mặt kia của dòng điện tròn ấy. Để có thể phát biểu quy tắc về chiều của các đường sức từ đó, ta định nghĩa mặt Nam của dòng điện tròn là mặt khi nhìn vào ta thấy dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, còn mặt Bắc thì ngược lại (Hình 19.9b). Khi đó có thể phát biểu :
Hình 19.9
Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào mặt Nam và đi ra từ mặt Bắc của dòng điện tròn ấy.
Hình I9.9b cho một phương pháp xác định nhanh chiều dòng điện của một dòng điện tròn tại mặt Nam hay mặt Bắc.
Tại mặt Nam (South): viết chữ s rồi đánh dấu mũi tên vào hai đầu chữ s.
Tại mặt Bắc (North): viết chữ N rồi đánh dấu mũi tên vào hai đầu chữ N.
Chiều của mũi tên ờ hai đầu chữ s và chữ N chỉ chiều của dòng điện tròn tương ứng.
Các tính chất của đường sức từ
Các đường sức từ có những tính chất sau :
Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức từ.
Các đường sức từ là những đường cong khép kín
hoặc vô hạn ở hai đầu.	0
Chiều của các đường sức từ tuân theo những quy-tắc xác định (quy tắc nắm tay phải, quy tắc vào Nam ra Bắc).
KS Xác định chiều dòng điện chạy trong vòng tròn (C) ở Hình 19.10. Cho biết đường sức từ có chiều hướng về phía trước mặt phẳng chứa vòng tròn (C).
Những kiến thức đã biết : Trục quay của Trái Đất nối liền hai ư/ứ cực : Bắc cực và Nam cực. Xét một điểm trên mặt đất thì:
Đường thẳng đứng là đường nối điểm đó đến tâm của Trái Đất.
Mặt phẳng kinh tuyêh là mặt phảng chứa điểm đó và trục quay của Trái Đất.
Địa cực
Người ta quy ước vẽ các đường sức từ sao cho chỗ nào từ trường mạnh thì các đường sức từ mau và chỗ nào từ trường yếu thì các đường sức từ thưa. 5E
- Từ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT
Từ thời cổ, loài người đã biết sử dụng la bàn để xác định phương hướng.
»
Bộ phận chính của la bàn là một kim nam châm có thể quay tự do xung quanh một trục cố định đi qua trọng tâm của nó. Đặt la bàn tại một vị trí xác định, xa các nam châm khác và các dòng điện, kim nam châm của la bàn luôn luôn nằm theo một hướng xác định không đổi, gần trùng với hướng Nam - Bắc. Xê dịch la bàn sang những vị trí khác (không quá xa vị trí cũ), ta thấy hướng của kim nam châm vẫn không đổi. Đó là do kim nam châm luôn luôn chịu tác dụng của từ trường Trái Đất (địa từ trường). .
Phân tích sự biến thiên của từ trường Trái Đất tại một vị trí xác định trong một khoảng thời gian dài, người ta nhận thấy, từ trường Trái Đất thay đổi và có thể viết dưới dạng tổng hợp của hai thành phần. Thành phần thứ nhất được coi là không đổi gọi là địa từ trường trung bình. Năm 1839, Gao-xơ đã chứng minh rằng địa từ trường trung bình có thể coi là từ trường gãy bởi một thanh nam châm khổng lồ nằm trong lòng Trái Đất, hai đầu nam châm này hướng về hai địa cực từ. Góc tạo bởi trục quay của Trái Đất và nam châm khổng lồ đó bằng 11° (Hình 19.11). Thành phần thứ hai biến thiên phức tạp và cũng nhỏ hơn thành phần thứ nhất nhiều, nên không xét ở đây.
Xung quanh một nam châm hay một dòng điện tồn tại một từ trường.
Từ trường Ịà một dạng vật chất, mà biểu hiện cụ thể iầ sự xuất hiện lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong khoảng không gian có từ trường.
Tại một điểm trong khoảng không gian có từ trường, hướng của từ trường là hướng Nam — Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.
Phát biểu định nghĩa từ trường.
Phát biểu định nghĩa đường sức từ.
So sánh những tính chất của đường sức điện và đường sức từ.
So sánh bản chất cùa điện trường và từ trường.
Phát biểu nào dưới đây là sai ?
Lực từ là lục tưong tác
giữa hai nam châm.
giữa hai điện tích đứng yên. c. giữa hai dòng điện.
' D. giữa một nam châm và một dòng điện.
Phát biểu nào dưới đây là đúng ?
Từ trường không tương tác với
các điện tích chuyển động.
các điện tích đứng yên. c. nam châm đứng yên.
D. nam châm chuyển động.
Đặt một kim nam châm nhỏ trên mặt phẳng vuông góc với một dòng điện thẳng. Khi cân bằng, kim nam châm đó sẽ nằm theo hướng nào ?
Hai kim nam châm nhỏ đặt xa các dòng điện và các nam châm khác ; đường nối hai trọng tâm của chúng nằm theo hướng Nam - Bắc. Khi cân bằng, hướng của hai kim nam châm đó sẽ như thế nào ?
CÂU HỎI VÀ BÀI